月球

月球看起来更像是一个“死寂”的世界：没有任何生命迹象的存在；几乎所有的火山活动也在数十亿年前走到了尽头；就连最年轻的月球熔岩也年事已高，早已布满疤痕——长期的宇宙碎片撞击形成的无数陨石坑。 自50年前的阿波罗（Apollo）时代以来，就已经有迹象暗示月球在地质上并没有完全“死亡”。阿波罗12、14、15和16号任务均在月球表面留下了“月震探测器”（月球地震仪），它们一直到1977年都在正常工作，向地球传回的数据显示了内部“月震”（moonquake）引起的月表震动，其中强度较大的月震相当于5级地震。但是，这些震颤到底是由实际移动的断层引发的月球表面破裂，还是纯粹的内部运动引起的，一直没有人能给出肯定的说法。 现在，一项发表在《自然•地球科学》（Nature Geoscience）期刊上的新研究表明，如今的月球可能确实存在着活跃的断层。 图中的月球地震仪由阿波罗14号部署在月球表面 版权：NASA 另一条显示月球上仍然进行着某种活动的线索来自1972年，阿波罗17号的宇航员吉恩•塞尔南（Gene Cernan）和杰克•施密特（Jack Schmitt）观察到了月球表面一处几十米高的地形结构，他们称其为“李-林肯陡坡”（Lee-Lincoln scarp）。他们以及地面上的顾问团队认为，这个特别的地形可能是一个地质断层（地壳受力发生断裂，沿破裂面两侧的岩块发生显著相对位移形成的构造），但他们对此也不完全确定。 李-林肯陡坡一直延伸至谷底，然后突然转弯，切断了图片右方的山谷一侧 版权：NASA阿波罗17号图像库（框架AS17-137-20897） [rml_read_more] 阿波罗飞船在月球赤道附近的轨道上拍摄了一组图片，其中也存在一些类似的例子，但是直到2010年月球勘测轨道飞行器相机（Lunar Reconniassance Orbiter Camera，LROC）的出现，月球表面精确度小于一米的细节得到了较好的记录，我们才发现这样的陡坡布满了整个月球表面。 LROC拍摄到了上千个陡坡，这个凸出的月球叶状推力断层陡坡就是其中之一。断层处的陡坡（或悬崖）就像是月球景致中的台阶一般（指向朝左的白箭头），由近月表壳层相互碰撞挤压、断裂皱起而形成，并在月球逐渐冷却收缩的过程中沿断层向上推动。在陡坡表面以及背面（陡坡的高侧，指向朝右的箭头）。图像来自LROC NAC，框架为M190844037LR。 版权：NASA/戈达德航天中心/亚利桑那州立大学（Arizona State University）/史密森学会（Smithsonian Institution） 学界现在普遍认同这些属于逆冲断层（thrust fault），月球从最初形成的高温状态逐渐冷却下来的过程中，就会有逆冲断层的形成。正如观测结果显示的那样，“热收缩”（thermal contraction）会让月球体积缩小，月表受到挤压变形，就像葡萄表面收缩变成葡萄干一样：这意味着月球正处于幅度较小的收缩状态。然而，逆冲断层并不一定就是活跃的，也就是说逆冲断层不一定会引起更多的月球震动。 在过去几亿年的时间里，月球半径缩小了大概50米。除了月球，水星其实也在收缩，并且收缩的幅度还挺大：在过去的三百万年里半径减小了7千米；而水星上最大的陡坡则比月球上的大了一百来倍。 分析表明，这些断层相对来说还很“年轻”，年龄都不超过五千万岁。但是，年轻的它们是否仍处于活跃状态，如今又是否还在活动呢？在一项新的研究中，美国史密森学会（Smithsonian Institution）的汤姆•沃特斯（Tom Waters）和同事采用了一种比此前所有可能的方法更精确的新方法，确定了阿波罗数据中近月表的月震位置。 这段李-林肯陡坡视频由月球勘测轨道飞行器拍摄的照片和高程映射创建而成。李-林肯陡坡是一处低矮的山脊，高约80米，由南至北穿过金牛-利特罗峡谷（Taurus-Littrow valley，阿波罗17号的登月着陆点）的西侧谷底，标志着相对年轻低角度逆冲断层的位置。当月壳收缩时，断层以西的月表被挤压向上越过东侧。5月13日发表在《自然•地球科学》的一篇论文表明，这一类断层仍然处于活跃状态，如今仍能触发月震。 版权：NASA/戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）/SVS/厄尼•莱特（Ernie Wright） 研究团队发现，在探测到的28个浅层月震中：有8个月震与断层陡坡非常接近（相距不超过30千米），表明这些可能确实是活跃的断层；有6个月震的发生时间，是在月球距离地球几乎最远的时候，在月球的“远地点”，月表的收缩应力理论上会达到峰值，月震也就最有可能在此时被触发。 研究团队还考察了一些新形成的痕迹，它们很可能是由月面震动推走巨石而留下的，原因是这些痕迹离断层陡坡很近，可能有一些石块从陡坡上滚下来又在低处弹了几下形成的。除此之外，还有一些滑坡塌方的沉积痕迹。研究人员说，这些都是强有力的证据，表明了月球上仍进行着活跃的地质运动。 金牛-利特罗峡谷是阿波罗17号的着陆点（图中星号位置）。穿过山谷，在着陆点的正上方就是李-林肯断层陡坡。断层运动可能是导致峡谷形成的多次月震事件起因。 1）南中央脊（South Massif）斜坡上的大型滑坡在李-林肯陡坡的上方和坡面上覆盖了颜色相对明亮的岩石和尘埃（风化层）。 2）从北中央脊（North Massif）上滚下来的巨石，在北中央脊斜坡上的风化层中留下了细窄的轨迹或槽谷。 3）刻蚀坡（Sculptured Hills）东南斜坡上的滑坡。 版权：NASA/GSFC/亚利桑那州立大学/史密森学会 这是否意味着，人类探月还存在一定的安全风险？美国最近宣布要在未来五年内将人类送上月球，并确立了建造月球空间基地的目标。值得庆幸的是，新的发现里并没有任何证据表明月球上还会持续有月震发生。相比地震，月震的发生几率要小得多，月震幅度也会弱得多；但是在确定月球基地的选址时，最好还是避开那些靠近断层的位置。 参考： [1]https://www.nature.com/articles/s41561-019-0362-2 [2]https://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/moonquakes [3]https://theconversation.com/the-moon-is-still-geologically-active-study-suggests-116768 [4]https://www.nasa.gov/mission_pages/LRO/news/shrinking-moon.html

NASA的四个科学部门中，有三个负责人是女性，这些部门是地球科学（Earth Science）、太阳物理学（Heliophysics）、和行星科学（Planetary Science），这自NASA成立以来还是第一次呢。她们每个人都来自不同的国家，为NASA的探索工作带来了独特的专业知识。 “我们有一群非凡的女性，她们负责数十个NASA太空任务和研究计划的成功，揭示了有关我们星球、太阳、和太阳系的新见解，”NASA总部科学任务理事会副主任Thomas Zurbuchen说，“她们正鼓励着下一代女性成为太空探索的领导者，我们也将完成第一位登月女性的计划。” 听听三位女领导者讲她们的故事 Credits:NASA [rml_read_more] SandraCauffman NASA地球科学部代理主任Sandra Cauffman拿着一枚纪念她的邮票，由她的家乡哥斯达黎加于2017年发行。 Credit：NASA SandraCauffman是地球科学部门的代理主任。她领导部门努力了解我们复杂且精细的地球，这是我们已知唯一一个有生命存在的地方。一路走来，她的NASA之旅充满了决心和坚持。 成长在哥斯达黎加的Cauffman从小喜欢阅读科幻小说，比如凡尔纳的《从地球到月球》和阿西莫夫的小说。她的母亲，也是Cauffman的英雄和灵感，在努力维持生计的同时还保持乐观的态度。 “即使我们没有任何东西，即使我们被赶出来，即使我们因无处可去而住在办公室，她总是积极的，”Cauffman说，“我的母亲告诉我，‘你可以做任何你想做的事情，只要你全心全意。’” 因为没有电视，她们去邻居家看了1969年的阿波罗11号登陆。“我只记得告诉妈妈我想去月球，”Cauffman说。 Cauffman在高中时对物理学着迷，本科在乔治梅森大学（位于弗吉尼亚州费尔法克斯）攻读物理和电子工程。同时，她在一家五金店打工以帮忙赚取学费。因为母语是西班牙语，她每天都努力学英语，从在店里工作时学习“锤子”、“钉子”、“螺栓”这样的词汇开始，她勉强通过了英语作为第二语言的考试。她继续前进，最终获得了电子工程硕士学位。 她于1991年2月加入NASA，担任戈达德太空飞行中心卫星服务项目的地面系统经理。她参与了哈勃的第一次任务、高层大气研究卫星（UARS）、探索者平台（Explorer Platform）/极紫外探测器（EUVE）等。此外，她还参与了气象卫星项目地球静止环境业务卫星（GOES）任务，以及火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）。在戈达德工作了25年后，她于2016年来到NASA总部，成为科学任务理事会地球科学部副主任。2019年2月，在Michael Freilich退休后，她被任命为地球科学部的代理主任。 在她NASA早期的职业生涯中，Cauffman经常是房间里唯一或极少数的女性，但她增强勇气说出自己的想法。如今，随着更多女性加入NASA，她寻找机会确保每个人的声音都能被听见。如果年轻女同事的意见在会议中被打断，Cauffman会介入：“喂，她在说话，我们可以听她说吗？” 虽然Cauffman曾短暂涉足火星任务，但地球是她最喜欢的星球，她也乐于认为地球科学对社会有实际的收益。 “当我们观测地球这一系统时，这些工作会有益于公众健康，会帮助地球人在飓风、龙卷风、污染、火灾中生存下来，”她说，“了解海洋、水华（藻类大量繁殖）等，都可以帮助地球上的人类。” 正像她母亲告诉她的那样，Cauffman向那些渴望她这样职业生涯的年轻人传达了正能量：“不要在第一次被拒绝时就放弃。凭着决心和毅力，我们可以成为我们梦想成为的样子。” Nicola Fox NASA太阳物理学部门主任Nicola Fox Credit：NASA 太阳物理学部门主任Nicola Fox领导NASA努力探索我们的太阳，这颗让地球存在生命成为可能的恒星。太阳物理科学家们正在研究太阳如何影响地球和太阳系的其他部分，以及我们如何保护宇航员、卫星、和机器人任务免受其强烈辐射。科学家们还可以将太阳与其他有行星的恒星进行比较，从而深入了解哪些遥远的岩石行星可能能使生命存在。 “自从人类第一次抬起头来，就一直注视着天空中最明亮的光，”她说，“太阳物理学真的是最古老的科学分支了。” 出生于英国集镇希钦（Hitchin），Fox也与阿波罗11号月球登陆有段故事。当她8个月大的时候，父亲将她从婴儿床里抱到电视机前，给她来了一段现场解说。 “（我有今天的空间科学事业）要感谢我的父亲，”Fox说，“对他而言，在生活中最棒的事情就是在NASA工作。”但是由于英格兰没有太空计划，这对Fox而言似乎是个白日梦，就像赢得格莱美或奥斯卡。 Fox上了一所全女子学校。学校鼓励学生追随她们的兴趣，她的母亲也确保她有机会尝试各种各样的爱好和追求。她从没有“男孩/女孩应该怎样”的概念。然而，在大学里，Fox经常是她科学课程中唯一的女性。在获得物理学士学位后，Fox进入了远程信息处理（卫星和计算机工程）硕士课程，她是280名学生中的四名女性之一。再之后她继续完成了空间和大气物理的博士学位。 后来她移居美国，在戈达德做博士后，导师Mario Acuña（已故）是行星磁场研究的先驱。“他（Acuña）鞭策我做一些超出我舒适区的事情，”她说。1998年，她搬到约翰霍普金斯大学应用物理实验室。最近，她担任NASA派克太阳探测器的项目科学家，该探测器于2018年发射，是第一个“触摸”太阳的任务。 她与太阳更深的渊源是2017年的日食，那时她与父母（专门从英格兰飞过来）和孩子们一同在内布拉斯加州的旷野上，期待看到太阳被月亮遮住，然而阴雨天几乎使这次期待泡汤了。但就在最重要的时刻，云层散开并勾勒出太阳的日冕，辉煌的美景尽收眼底：“这是我第一次看日食，太令人兴奋了。” 她于2018年9月加入NASA总部并领导太阳物理学部。她非常喜欢所有人都能参与NASA探索任务，从火箭工程师到监管人，以及“参与比你更‘大’的事情。” 她要告诉下一代太空迷：每个人在NASA都可以有自己的职业生涯。 “如果考虑到将任务带入太空的角色多样性，所有不同类型的工作都有参与，”她说，“如果你想在NASA工作，这儿就有一份工作适合你。” Lori Glaze NASA行星科学部门主任Lori Glaze Credit：NASA LoriGlaze是行星科学部门的负责人，该部门专注于太空任务和研究，寻求我们太阳系如何形成、演化这种基本问题的答案，以及是否有其他行星现在或过去可以孕育生命。 当Glaze成长时，她的母亲是一名对工作充满热情的航空工程师。从事从商用客机到航天飞机项目的机械工作，Glaze的母亲坚持在男性主导的领域。她在自己喜欢的领域工作并发展，给Glaze留下了深刻印象。 “作为一个年轻女性，这对我来说是一个巨大的启发，看到技术职业、在数学或科学领域的领导职业生涯是可能的，”Glaze说。 1980年，那时Glaze还是西雅图的一名高中生，她听到了圣海伦火山爆发的声音。硅酸盐灰碎片雨一样地落在房屋和汽车上，像小块玻璃一样打在窗户上。这次经历，加上一个关于公元79年庞培火山爆发的展览，让Glaze迷上了火山。 在大学里，她学到火山不仅仅在地球上。NASA的旅行者号任务在1979年发现了木卫一（Io）上的火山活动，这是地球之外火山活动的第一个证据。火星上有座巨大的休眠火山，奥林匹斯山（Olympus Mons），是太阳系中最高的火山。金星在我们太阳系中有最多火山，尽管大家不知道它们如今是否活跃。Glaze好奇熔岩流动、喷发的方式以及不同行星上火山之间的差异。她最终获得了德克萨斯大学阿灵顿分校的物理学士和硕士学位。在NASA喷气推进实验室（JPL）工作期间，她获得了英国兰开斯特大学环境科学的博士学位。 在JPL，她研究了轨道火山观测台的概念和其他地球遥感研究项目。之后，她在一家私人公司任职十多年，然后开始了在NASA戈达德的职业生涯。她继续追求自己对火山的兴趣：卫星如何跟踪地球上的火山爆发，我们地球之外的火山史是怎样的。 Glaze参与了许多NASA赞助的金星任务概念制定研究（具体任务见原文）。在她2018年加入NASA总部之前，她还是金星大气进入器概念DAVINCI（Deep Atmosphere Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging）的主要研究者。 在过去10到15年间，Glaze见证了像她这样的女性在领导岗位上的工作机会的巨大增长。就在两年前，Glaze意识到她是某个研究会议上唯一的女性，但她仍然认为她的贡献得到了尊重与重视。 “他们是我共事过的人中最多元化的一群人。在这个地方，我觉得每个人的想法都得到了尊重，并且我们真的在继续前进、提升我们的理解、思考如何在NASA进行科学研究，“Glaze说，“能在这里真是太好了。” 最后一个NASA科学部门是天体物理学（Astrophysics），由Paul Hertz领导。 参考 https://www.nasa.gov/feature/meet-the-women-in-charge-of-nasa-s-science-divisions

来自美国航空航天局（NASA）和位于马里兰州劳雷尔的约翰•霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室（Applied Physics Laboratory）的研究人员声称，撞击月球的流星群（meteoroid stream）给月球大气注入了暂时性的水蒸气。 这一发现将有助于科学家探索月球上水的历史。月球上的水为未来长期月球任务，以及人类深空探索提供了维持人类活动的资源。已有多种模型证明，流星体在撞击月球时会将月球中的水释放出来，形成水蒸气，但科学家一直没有观察到相应的现象。 现在，在月球大气及尘埃环境探测器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）收集到的数据中，研究团队发现了数十个月球上的水释放事件。LADEE是NASA的月球探测和技术示范任务，围绕月球运行，收集与月球稀薄大气结构和组成相关的详细信息，并确定在这个过程中，月球上的尘埃是否有被带入到大气中。 来自LADEE航天器的数据显示：月球表面会定期释放出水。 版权：NASA/戈达德（Goddard）/丹•加拉格尔（Dan Gallagher） [rml_read_more] 在流星雨期间，当微流星体穿透月球干燥表面，并撞击到下方的水合层时，水就从月球中释放并喷射出来。 版权：NASA/戈达德（Goddard）/丹•加拉格尔（Dan Gallagher） 这一艺术概念动画显示了穿过地球和月球的流星雨，使得LADEE（动画中未显示）能够探测到月球上水分子信号的峰值。 版权：NASA/戈达德（Goddard）/丹•加拉格尔（Dan Gallagher） 科学家发现，在流星雨期间，月球中正释放出水。当彗星碎片撞击月球时，这种小碎片会在月球土壤中产生一种冲击波。如果冲撞的碎片足够大，这种冲击波会破坏月球干燥的上层土壤，并释放出下方水合层（hydrated layer）中的水分子；在进入稀薄的月球大气层时，LADEE太空船探测到了这些水分子。这一发现给未来的月球探索提供了潜在的水资源，同时也让我们对月球的历史地质和演化过程的认识和理解上升了一个层次。 “对于绝大部分这样的‘撞击喷泉事件’，我们找到了相应的已知流星群，但这项研究真正令人瞠目结舌的部分是：我们同时还找到了此前从来没发现过的四个流星群存在的证据。”迈赫迪•本纳（Mehdi Benna）说道。本纳来自NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center），以及马里兰大学巴尔的摩分校（University of Maryland Baltimore County），同时也是本次研究的主要作者。该研究发表在《自然•地球科学》（Nature Geosciences）期刊上。 LADEE探测到的、最新确认的流星群，于2014年1月9日、4月2日、4月5日以及4月9日出现在月球上。 LADEE太空船（左）探测到的月球上喷涌的水蒸气（右）艺术概念图，由流星体撞击月球引发。 版权：NASA/戈达德/概念图像实验室（Conceptual Image Lab） 现有的数据表明，月球上存在水分子（H2O）以及羟基（-OH，与H2O的性质相似，比H2O更活泼）。但关于月球上水的起源，不论是水是否在月球上广泛分布还是水在月球上存在的数量，争议仍然无休无止。 “大部分时间里，月球大气中都不存在数量可观的H2O或是-OH，”理查德•埃尔菲奇说道，“但当月球运行到穿过其中一段流星群中时，引发的水蒸气喷涌就足以让我们探测到了；然后，相应的流星群撞击事件结束之时，也即H2O或-OH隐退之时。”埃尔菲奇来自NASA位于加利福尼亚州硅谷的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）。 月球科学家常常用术语“水”（water）来指代H2O和-OH。未来的月球探索任务可能会解决月球上究竟有多少H2O和多少-OH的存在。 LADEE由NASA位于加利福尼亚州硅谷的艾姆斯研究中心建造和管理，利用戈达德航天中心建造的中性质谱仪（Neutral Mass Spectrometer）来探测月球水蒸气。LADEE太空船围绕月球运行的时间起于2013年10月，止于2014年4月，在此期间收集了月球大气结构和组成相关的详细信息，实际上相比于“月球大气”，更准确的说法是“月球外层”（exosphere）——笼罩在月球周围的一层稀薄气体。 为了将水从月球的水合层中释放出来，撞击月球的流星体至少必须砸进月球表面以下3英寸（8厘米）的深度。在月球干燥的表层土壤之下，有一个很薄的过渡层，再往下就是水合层，在水合层中，水分子可能会附着于一些土壤和被称作风化层（regolith）的岩石上。 基于对“月球外层”中的水分子测量，研究人员计算出了水合层的含水量：浓度约为200 – 500 ppm（part per million，用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度，也称百万分比浓度），即质量百分比约为0.02% – 0，05%；比地球上最为干燥的土壤含水量还要低得多。这一测量结果与早期的研究结果一致。月球大气的含水量如此之低：如果想要收集16盎司（约473毫升）的水，需要对超过一吨的月球风化层土壤进行处理。 由于月球表面的物质结构非常松软，所以即使是很小一块、直径仅半英寸（5厘米）的流星体，也能穿透月球表层土壤，释放出少量的水蒸气喷流。流星体的每一次撞击，都会引起一个小冲击波在月球表面小范围传播，释放出周围土壤中的水。 当流星群撞击月球表面，流星体如雨般降落之时，从水合层中释放出的水就会进入“月球外层”，并分散开来直至布满这层稀薄的月球大气。其中大约三分之二的水蒸气会逃逸进入太空，而剩下的三分之一则会回落到月球表面。 这张信息图显示了月球水循环，依据的是LADEE太空船上中性质谱仪的最新观测结果。在月球表面，干燥的表层土壤之下是水合层，来自流星体的撞击会释放出其中的水分子。被释放进入月球稀薄大气的水分子，一部分逃逸进入太空，另一部分则重新沉积到月球表面的其他地方。这些水分子的一部分来源于太阳风（solar wind）和月球表面的化学反应，另一部分来源于撞击的流星体本身。然而，为了平衡流星撞击损失的水分子，月球水合层需要从更深层的古老蓄水层中补充水分。 版权：NASA戈达德/迈赫迪•本纳/杰伊•弗里德兰德（Jay Friedlander） 在月球两极附近陨石坑冷暗区域周围的“冷阱”（cold trap）中，沉积着少量的冰，而上述的发现有助于解释这些冰的存在。月球上已知的大部分水都位于冷阱之中，由于冷阱的温度极低，水蒸气和其他挥发性物质运动到这一区域时，会在很长一段时间（可能长达数十亿年）内保持稳定。流星体的撞击能将水分子送入或带离冷阱。 研究团队排除了一种可能，那就是所有探测到的水都来自流星体本身。 “我们知道一定有一部分水是来自月球的，因为释放出的水量大于撞击月球流星体上的水量总和。”论文的第二作者达娜•赫莉（Dana Hurley）说道，赫莉来自约翰•霍普金斯大学应用物理实验室。 分析表明，流星体撞击释放水的速度，大于太阳风冲击月球表面反应生成水的速度。 “损失的水分子可能拥有着古老的历史，要么可以追溯到月球形成之初，要么在月球历史的早期就已经沉积下来了。”本纳说道。 NASA正与商业和国际合作伙伴一同计划着月球探索的回归项目，以扩大人类在太空中的布局，并找寻新的科学知识和机遇。 参考： [1]https://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/ladee-lunar-water/ [2]https://www.nature.com/articles/s41561-019-0345-3

不同于50年前的阿波罗登月计划，NASA将与美国公司和国际合作伙伴一道，努力在未来十年内在月球上建立一个可供人类永久存在的基地。揭示新的科学发现，为私营企业建设月球经济，以及前往更遥远的火星打下基础(来自NASA Video)。