月球的撞击历史及其对月表物质的改造

外来天体物质的高速撞击作用贯穿了月球形成和演化的全部历史。撞击作用是塑造月球全球地貌、改造月表物质的物理化学特征、影响月球多圈层演化的重要地质营力。月球上的撞击过程、撞击历史及其对月表物质的改造，一直是月球科学研究的重要内容，也是月球探测的重点研究对象。本文综述了近十年来国、内外在月球的撞击过程、撞击历史和撞击改造浅表层物质研究中的重要进展，重点介绍了基于我国嫦娥探月工程获取的科学数据的相关研究成果，展望了该研究的发展方向，并对未来探测的重要观测目标提出了建议。     

Frontiers in lunar science based on bibliometric analysisSCIEI北大核心CSCD

月球是人类开展深空探测的首选目标,月球探测是世界各国科技竞争的制高点。开展月球科学前沿研判,对我国实施深空探测战略、规划行星科学研究路径,进而赢得未来竞争优势至关重要。基于Web of Science数据库,本文利用文献计量学方法,对月球科学领域论文产出数量、学科和期刊分布、主要国家和领先机构的竞争力、国际合作等进行了深度分析,并通过聚类分析获得当前研究热点,梳理出五大研究领域和七大前沿问题。过去20年,我国在月球科学研究取得了长足进步,但仍然存在优秀论文少、顶尖学者少、学术期刊少的问题。未来月球科学可能在三个方向上实现突破:月球的水仍将是国际月球探测和研究的重点;月球内部结构探测或是我国弯道超车的机遇;新的月球样品将进一步揭示月球形成和演化的奥秘。本研究结果可以为我国未来月球探测和研究的规划与组织提供参考。     

我国探月地学研究取得可喜进展

为交流国际探月及行星科学研究最新成果资讯,推动我国探月地学研究的深入开展。2009年6月16～18日,国土资源部中国地质调查局在京主办“探月与地学科学国际研讨会”。围绕国际探月科学研究的最新进展及中国月球与行星科学研究动态,中外科学家进行了广泛的交流研讨。科学家的学术报告主要涉及行星探测与行星科学、月球遥感与月球地质、月球地球化学与月岩样品研究、月球地球物理、当前月球探测动态、未来月球与行星探测计划等多方面内容。     

嫦娥五号返回样品的科学研究前景

深空探测是国家综合国力的集中体现,也是各航天大国科技竞争的制高点。自2007年嫦娥探月工程顺利实施以来,我国已经成为全球第二次探月热潮里的中坚力量。嫦娥五号采样工程的成功,使人类在间隔44年后再一次获得来自月球的珍贵样品,标志着中国探月工程上了更高的台阶。海量探测数据的获取和月球样品的返回,将为月球形成演化等重大科学问题的研究提供新的视角与支撑。放眼未来,我国月球极区探测、载人登月和月球科研站建设已经列入规划,工程探测和科学研究的目标已从“认识月球”逐步向“开发月球”“利用月球”转变。对于月球土壤样品的研究,中国科学院地球化学研究所具有良好的基础,曾对来自Apollo的月壤样晶进行过详细的研究,本次针对嫦娥五号样品,该所承担了月壤特性及其形成演化历史等方面的研究工作。为让广大科技工作者和社会公众了解这一工作进展,本刊特邀地球化学所李阳博士撰文介绍相关情况,后续工作本刊还将进行跟踪报道。     

月球形成演化与月球地质图编研

按照大碰撞假说,月球形成于一次大碰撞事件,抛射出的高能量物质留在绕地轨道上,最后吸积形成月球。月球核幔在早期迅速发生分离,并出现全球性的岩浆熔融,形成了岩浆圈层（岩浆洋）。岩浆洋的结晶分异和固化导致了月壳的形成。随着月壳与月幔发生持续分异,形成了固化的月壳。而在月球后期的演化历史中,撞击作用是最重要的地质作用,形成了多尺度、多期次的撞击盆地和撞击坑,而大型撞击盆地多形成于月球演化的早期。月球地质图是开展月球形成与演化研究的重要手段,从20世纪60年代起,到70年代末止,通过对阿波罗时代探月成果的系统总结,完成了第一轮月球地质图的研制。但尽管从20世纪90年代以来国际月球探测和月球科学的研究进入一个新的高潮,获得了大量有关月球形成和演化的新认识,但还没有正式的新的月球地质图发布,因此开展新一轮月球地质图的编研,系统总结后阿波罗时代的月球探测与研究成果,是非常必要和迫切的。在新一轮月球地质图的编制过程中,需重点关注图件比例尺的选择、月面历史的划分以及月球构造和岩石建造的表达。     

月表构造与深部构造的关系

地球和月球很可能是通过大撞击形成的。在行星地质学中,研究月球的地质-构造现象,对了解月球、地球乃至太阳系的形成与演化历史都有很大帮助。月球的构造分为深部构造与月表构造,寻找它们在分布或成因上的关系,可以为月球甚至地月系的起源和演化历史提供重要参考。利用LROC的宽视角影像数据以及LOLA数据提取解译月表构造,结合深大断裂进行观察分析,并对月球的撞击盆地进行统计,最后以静海地区为例分析构造分布特征,发现月球的质量瘤盆地中具有环状分布的月岭,外侧具有近环状分布的深大断裂,自前酒海纪至酒海纪,具备上述特征的质量瘤盆地占总撞击盆地的比例突然有一个很大的提升,且静海地区西部具有该构造分布特征。推测该特征与撞击、月海沉降等有关,且在酒海纪与雨海纪期间月球有较多的月海玄武岩分布,由此判断静海西部存在质量瘤,发生过撞击与月海沉降。     

月球科学的过去、现在和未来——参加第39届月球与行星科学大会有感

综述了2008年3月10～14日在美国休斯敦召开的第39届月球与行星科学大会期间交流的与月球科学相关的会议内容,简要回顾了人类探测月球的历史.当前的月球科学研究归纳为6个主题:①月球和其他类地行星的地质演化;②撞击过程的定量化描述和太阳系历史的关系;③月壤的特征、月壤形成的机械过程和演化过程;④采样返回技术和原型机的开发与运用;⑤月球和其他行星体的内生和外来挥发分;⑥月表的大气和尘埃环境对人类登陆的影响.2007～2008年,日本、中国、印度和美国纷纷推出探月计划,将月球探测推向一个新的高潮.深空探测成为各国展示国力和科学技术水平的试验场,也将有力地促进科学技术的发展;独立探测和国际合作相结合已是大势所趋,数据资料共享将成为必然.公众的积极参与将为月球探测注入新的活力,并成为空间探测的基本动力.     

月面环境与月壤特性研究的主要问题探讨

月面环境与月壤特性是月球探测和月球科学研究的重要基础,对它们的研究一直在不断加深,本文对月球表面地形地貌、热环境以及月壤特性三个方面的研究现状进行了总结,初步分析了这三个方面研究目前存在的一些主要问题：（1）地形地貌对月球定量遥感的影响以及南极艾特肯（SPA）盆地等地貌单元的年代学划分和成因演化;（2）月面热辐射、月表物理温度和热流等月面热环境特征的进一步探测和全面分析,以及其对地球反照率变化的响应;（3）月壤形成演化过程及空间风化作用,月球极区氢富集机制和水冰探测,以及月球资源开发利用。     

试论月球科学与类地行星研究的学科属性

我国月球探测一期工程获国家批准立项和“嫦娥一号”卫星成功发射及运行这一历史性事件标志着我国已继人造地球卫星、载人航天阶段之后,开始进入人类航天活动的第三领域——深空探测。无疑此时探讨人类这一伟大社会实践活动的自然科学意义,特别是深空探测对象的科学内涵具有重要的现实意义。随着相关技术的开发、创新和成熟,工作重点将逐渐转移到深空探测对象本身的科学研究上来,即认识地球之外的行星体以及更深刻地重新审视地球。本文讨论了现阶段深空探测对象——月球及类地行星的基本物质属性,回顾美国和前苏联两国探月计划实施历史的启示,Apollo计划的演变．科学内容的纳入及宇航员地学素养的要求,Apollo登月计划的实施对月球科学本身的促进,以及对20世纪地球科学发展、人才队伍建设和分析技术进步等的重大影响,总结了前苏联探月计划的成败及其教训,并对我国月球探测工程立项历史等方面进行了分析。在此基础上,论述了月球科学及类地行星研究的地球科学属性,并强调指出地球科学家应将月球及整个类地行星研究纳入到地球系统科学的框架之中。     

我国月球探测的总体科学目标与发展战略

在简述月球探测的历程与趋势的基础上,强调当代月球探测的总体目标为：①研究月球与地月系的起源和演化,特别是月球大气层与磁场的消失,矿物与岩石的分布和形成环境、月壤和内部层圈结构的形成以及月球演化的历程;②探测月球的资源、能源和特殊环境的开发利用及对人类社会长期可持续发展的支撑。我国不载人月球探测划分为绕、落、回三个阶段。为了全球性、整体性重新认识月球,绕月卫星探测的科学目标是为了获取全月面三维影像,探测14种有用元素的全球分布与丰度,探测月壤厚度并估算氦 3资源量以及太阳活动对空间环境的影响。"落"为月球探测器软着陆就位探测和月球车巡视探测,建立月基光学、低频射电和极紫外天文观测平台。"回"为月球探测器软着陆就位探测和取样返回地面。     

月壤厚度的研究方法与进展

月壤厚度的研究对未来月球探测、登月与月球资源开发均具有十分重要的意义。它是恢复月球起源和演化历史的重要参数,也是估算月球3He资源量的必要前提。本文将月壤厚度的研究方法归纳为直接和间接两类,直接方法主要是利用月震数据对月壤厚度进行推算,间接方法包括基于撞击坑形态、分布以及地基雷达遥感数据估算月壤厚度两种。随着定量微波遥感的发展,结合我国嫦娥探月工程的实施,利用高分辨率被动微波遥感亮温反演月壤厚度为月壤厚度的研究指出一个新的方向。     

The Deviation of the Lunar Center of Mass to the East of the Direction toward the Earth. A Mechanism Based on Rounding of the Figure of the Moon

It is known that the center of mass (CM) of the Moon does not coincide with its geometrical center of figure (CF), and that the CF–CMline deviates to the Southeast of the direction toward the center of the Earth. An investigation of this phenomenon, which has remained incompletely understood, has been carried out in two stages. One mechanism can explain part of the eastward shift of the lunar CM as being due to tidal evolution of the lunar orbit. A second mechanism is considered here, which relates this shift of the lunar CM with evolution of the shape of the Moon. A differential equation describing the shift of the lunar CMto the East in the course of the physically inevitable rounding of its shape as it moves away from the Earth is derived and solved. This mechanism not only explains the eastward shift of the lunar CM, but also predicts that the oblateness of the Moon could have been appreciable at earlier epochs, reaching values ε ≈ 0.31. The theory of figures of equilibrium in a tidal gravitational field is used to determine how close to the Earth the Moon could have formed.     

Volatile interactions with the lunar surface

The Moon is generally depleted in volatile elements and this depletion extends to the surface where the most abundant mineral, anorthite, features <6 ppm H₂O. Presumably the other nominally anhydrous minerals that dominate the mineral composition of the global surface—olivine and pyroxene—are similarly depleted in water and other volatiles. Thus the Moon is tabula rasa for the study of volatiles introduced in the wake of its origin. Since the formation of the last major basin (Orientale), volatiles from the solar wind, from impactors of all sizes, and from volatiles expelled from the interior during volcanic eruptions have all interacted with the lunar surface, leaving a volatile record that can be used to understand the processes that enable processing, transport, sequestration, and loss of volatiles from the lunar system. Recent discoveries have shown the lunar system to be complex, featuring emerging recognition of chemistry unanticipated from the Apollo era, confounding issues regarding transport of volatiles to the lunar poles, the role of the lunar regolith as a sink for volatiles, and the potential for active volatile dynamics in the polar cold traps. While much has been learned since the overturn of the “Moon is dry” paradigm by innovative sample and spacecraft measurements, the data point to a more complex lunar volatile environment than is currently perceived.     

The Deviation of the Lunar Center of Mass to the East of the Direction Toward the Earth. A Mechanism Based on Orbital Evolution

It is known from observations of the gravitational field and figure of the Moon that its center of mass (COM) does not coincide with its geometric center, with the line connecting these two points deviating to the Southeast of the direction toward the center of the Earth. The deviation of the lunar COM to the South was explained earlier. Here, the deviation of the lunar COMto the East of the direction toward the Earth is considered. The theory of the optical libration of a satellite orbiting synchronously about a planet for an observer at the secondary (free) focus of the orbit is first refined. It is shown that the main axis of inertia of the satellite undergoes asymmetric, non-linear oscillations whose amplitude is proportional to the square of the orbital eccentricity. A mechanism for the evolution of the orbit has been developed, taking into account the preferred direction of the axis of inertia of the Moon toward the empty focus. Of two alternative scenarios—evolution of the lunar orbit with decreasing or increasing eccentricity—only the latter scenario is consistent with the observed eastward shift of the lunar COM. This mechanism predicts that the lunar orbit had a lower eccentricity in the past than it does today. This conclusion is consistent with the results of observations and also with the fact that the eccentricity of the Moon’s orbit is indeed currently increasing, indicating that it was lower in the past than its current value, e = 0.0549. It is shown by averaging themotion over a rapid variable that thismechanismfor the orbital evolution can explain about 18% of the currently known eastward shift of the lunar COM. The results obtained refine the theory of the tidal evolution of the Moon.     

月岭形成机制及其与潮汐力的相关性分析

月岭作为月表常见的线性构造类型之一,具有一定的分布规律。利用LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)的DEM数据提取月岭剖面并进行了构造分析,认为月岭主体为逆冲断层叠加牵引褶皱的挤压构造形成机制。前人多用月海盆地沉降叠加月球热能收缩解释月岭的成因,但它无法解释盆地中央月岭呈近南北向的优选方位,这种现象可能是受到近东西向区域性挤压应力的影响,与潮汐力对月球中低纬度区域的应力作用状态相符,推测潮汐力可能是盆地中央月岭形成的主因。综合利用嫦娥一号CCD影像数据、Lunar Orbiter和LRO全色波段影像数据,解译识别出月球正面中低纬度1 464条月岭。对其进行方向统计,结果表明,月岭整体走向也与Melosh预测的在潮汐力作用下形成的构造样式相似。由此推测,月岭的展布与潮汐力具有很强的相关性,进一步论证了月岭的形成与潮汐力有关。     

SMART-1 after lunar capture: First results and perspectives

SMART-1 is a technology demonstration mission for deep space solar electrical propulsion and technologies for the future. SMART-1 is Europe’s first lunar mission and will contribute to developing an international program of lunar exploration. The spacecraft was launched on 27th September 2003, as an auxiliary passenger to GTO on Ariane 5, to reach the Moon after a 15-month cruise, with lunar capture on 15th November 2004, just a week before the International Lunar Conference in Udaipur. SMART-1 carries seven experiments, including three remote sensing instruments used during the mission’s nominal six months and one year extension in lunar science orbit. These instruments will contribute to key planetary scientific questions, related to theories of lunar origin and evolution, the global and local crustal composition, the search for cold traps at the lunar poles and the mapping of potential lunar resources