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月球土壤

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巴茲·奧爾德林在月球月壤上的靴印。
阿波羅17號任務期間收集的月壤。

月壤（Lunar soil）是在月球表面發現的細微表岩屑部分，其性質可能與地球上的泥土有很大的不同。月壤的物理性質主要是玄武岩和斜長岩物理崩解的結果，這是多年來持續的流星撞擊和太陽及星際帶電粒子轟擊所造成，這一過程主要是一種物理風化作用。隨着時間的推移，顆粒被研磨成越來越細的尺寸，這種情況與地球上的塵土形成了根本性的不同，後者是由分子氧（O2）、濕度、大氣風和一系列強大的生物作用過程產生的。

「月壤」通常僅指月球較細部分的表岩屑，由直徑小於等於1 厘米的顆粒組成，但這二種概念通常可互換使用[1]。月塵通常意味着比月壤更細的材料，對於什麼樣的粒度尺寸構成「塵埃」，沒有正式定義，有些人將最小直徑值設置為小於50微米，而另一些人則將其設置為小於10微米。

形成過程

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阿波羅17號發現的橙色月壤是由火山玻璃珠所構成。
更多資訊：月球地質

形成月壤的主要過程如下：

隨着時間的推移，這些過程會繼續改變塵土的物理和光學性質，這被稱為空間風化。

此外，火噴泉（噴出的火山熔岩在落回地表之前冷卻凝結成小玻璃珠）可以在某些地方形成細小而重要的沉積物，如阿波羅17號在陶拉斯-利特羅谷的肖特坑發現的橙色月壤，以及阿波羅15號在哈德利-亞平寧區發現的綠色玻璃。火山玻璃珠沉積也被認為是遍佈月球其他地方黑色沉積覆蓋物（DMD）的來源[2]。

礦物和成分

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月壤由各種類型的顆粒組成，包括岩石碎片、單一礦物碎屑以及包括凝集顆粒、火山和撞擊球體等在內的各種玻璃[3]。這些凝集物在月表通過微隕石撞擊形成，引起小規模的熔化，將相鄰物質與嵌在塵埃粒子玻璃狀外殼中的微量鐵元素熔合在一起[4]。隨着時間的推移，這些物質通過撞擊過程進行垂直和水平混合（稱之為「攪動」）。在這一過程中，外來物所佔比例相對較小，因此任何給定位置的塵土成分很大程度上反映了當地基岩的成分。

月球表岩屑與地球泥土在化學成分上有兩種巨大的差異，首先，月球非常乾燥，因此，表面不存在粘土、雲母和角閃石等結構（礦物水合作用）中含水的礦物[5]；第二種區別是，月球表岩屑和月殼是化學還原的，而不像地球地殼那樣被明顯氧化。就表岩屑而言，部分原因是太陽風中的質子不斷轟擊月球表面，結果導致月球上的鐵以元素 (0) 和陽離子 (+2) 氧化態存在[6]，而在地球上，鐵主要以二價和三價氧化態存在。

  • 月球表面各種元素的相對豐度
    月球表面各種元素的相對豐度
  • 月球高地、低地和地球上各種元素的相對豐度（重量比%）。
    月球高地、低地和地球上各種元素的相對豐度（重量比%）。
  • 被月壤污染的貝他布（阿波羅16號）
    被月壤污染的貝他布（阿波羅16號）

性質

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1972年阿波羅16號月球車濺起月球表岩屑的短片。

月壤屬性對將來可能的構築物[7]、地面交通網和廢物處理系統等建設意義重大，僅此數種，就將取決於從測試月壤樣本中所獲得的真實實驗數據，土壤承載力是地球上此類結構設計中的一個重要參數。

由於無數次的隕石撞擊（速度在20公里/秒範圍內），月球表面覆蓋着一層薄薄的帶電塵埃，可粘附在與之接觸的任何表面上。

月球月壤的密度約為1.5克/厘米3[8]，表層月壤下方的塵土變得非常稠密。

其他可能影響月壤性質的因素包括較大的溫差、高度真空以及缺乏磁場，從而允許帶電的太陽風粒子可持續撞擊月球表面。

月塵噴泉與靜電懸浮

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有證據表明，月球上有一層薄薄的運動塵埃顆粒層，不斷地從月球表面躍起或落回月表，形成一層看上去靜止，但實際由不斷運動的塵埃顆粒組成的「塵埃大氣」。「月球噴泉」一詞被用來描述這一效應，類比於噴泉中沿射流運動的水分子流，由於水流的恆定性而顯得靜止.根據美國宇航局戈達德太空飛行中心地外物理實驗室2005年提出的模型[9]，這是由靜電懸浮所引起。在月球白天，太陽硬紫外線和X射線輻射的能量足以將月壤原子和分子中的電子擊出。正電荷不斷累積，直止最小的月塵顆粒（1微米或更小）被從表面斥出，漂浮在數米到數公里高的任何地方，最小的顆粒則可到達最高的高度，最終，它們會回落到重複這一過程的表面。在夜間，太陽風的電子使月塵帶負電荷。事實上，噴泉模型表明，夜晚側比白天側產生更大的電張力差，可能會將月塵顆粒發射到更高的高度[10]。在穿過地球磁尾的月球軌道部分-月球磁場的一部分，這種效應可能會進一步增強[11]。在晨昏圈上，晝夜區之間可能會形成導致月塵水平遷移—一種「月球風暴」的明顯水平電場[10][12]。

阿波羅17號太空人速寫的月球「霞光」。

1956年，科幻作家哈爾·克萊門特（Hal Clement）在其短篇小說《擦灰布》（Dust Rag）中就預見到了這一效果，該小說發表在《驚奇科幻故事》中[10]。

贈送給蘇聯的阿波羅11號採回的表岩屑，展出在莫斯科航天博物館。

有一些證據表明了這一效應，20世紀60年代初，勘測者7號[13]和之前數艘軟着陸在月球上的勘測者號探測器返回的照片顯示，在日落後，月球地平線上仍呈現有明顯的微光。此外，與所預期的無空氣條件下沒有大氣霾霧的情況相反，天地之間的遙遠地平線看起來並非輪廓分別。1972年，阿波羅17號太空人繞月飛行期間，在月球日出或日落前10秒鐘，他們反覆看到並描繪了稱之為「光帶」、「綵帶」或「霞光」的景象。阿波羅8號、10號和15號上的太空人也報告了這種光線，它們可能有些類似與地球上的雲隙光[10]。

阿波羅17號還在月球表面進行了一項名為「月球噴出物和流星的實驗」，英文縮寫「利姆」（LEAM），主要為尋找小流星體撞擊月表所激起的塵埃。它有三具分別監測上方和東西二側的傳感器，可記錄微小粒子的速度、能量和方向。「利姆」實驗裝置每天早上都會看到大量的粒子，它們大多來自東方或西方，而非上下方，並且大多比預期的月球噴出物速度慢。 此外，在每次月球日出後數小時內，該實驗裝置的溫度會升至近100攝氏度，因此，常因過熱而不得不暫時關閉。據推測，這可能是由於帶電的月塵粘附在實驗裝置，使其表面變暗，導致實驗包吸收而非反射陽光的結果[12]。但是，科學家們無法確定問題的根源，因為在阿波羅計劃結束之前，「利姆」裝置只進行了短暫的運行[14]。

這些風暴曾可能被從地球上發現過：幾個世紀以來，有報道稱月球上有奇怪的發光，稱為「月球瞬變現象」或「TLPs」。月球瞬變現象為觀察到的瞬間閃光，現在普遍認為是可看到的流星體撞擊月表的證據。但另一些則表現為形狀不定的微紅或發白光暈，甚至是在數秒或數分鐘內改變形狀或消失的朦朧區域，這些都可能是懸浮月塵反射太陽光的結果[12]。

月塵的有害影響

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2005年，美國宇航局的一項研究列出人類在進行載人火星探險前需進一步研究的20種風險，並將「塵埃」列為首項挑戰。該報告敦促研究塵埃的物理性能、腐蝕性、砂礫性以及對電氣系統的影響。大多數科學家認為，明確回答這些問題的唯一方法是在發射太空人之前先從火星上取回完好的土壤和岩石樣本[14]。

儘管該報告只涉及火星塵埃，但對有關月塵的擔憂同樣有效。在月球表面發現的塵埃可能對所有人類前哨技術和太空人都會造成有害影響[15][16][17]：

  • 表面變暗，引起熱輻射傳導顯著增加；
  • 粉塵顆粒的摩擦性可能會搓破或磨損表面；
  • 對密封太空設備、光學透鏡、太陽能電池板、窗戶及電線的墊圈塗層產生負面影響；
  • 可能對太空人的肺葉、神經和心血管系統造成損害；
  • 暴露在太空環境中的細小塵埃顆粒，可能會增加宇航服電弧的風險。

在月球表面探測期間，應使用航天衛生原則來評估接觸月塵的風險，從而確定控制接觸的最適當標準。這些措施可能包括在三級氣閘中脫去航天服，脫除前用磁鐵對航天服進行「真空吸塵」[18]，以及使用帶有高效微粒過濾器的局部排氣通風設備來清除航天器空氣中的塵埃[19]。

月塵的有害特性尚不完全清楚，根據對地球上塵埃的研究，預計暴露在月塵中將會面臨更大的急性和慢性健康風險。這是因為月塵比地球塵埃具有更高的化學反應性和更大的尖齒邊緣區[20]，如果化學反應性顆粒沉積在肺部，可能會導致呼吸系統疾病，而長期接觸這些塵埃可能會導致類似矽肺的更嚴重呼吸系統疾病。探月期間，太空人的宇航服將被月塵污染，脫下防護服後，塵埃會釋放到空氣中。用於降低接觸的方法包括提高氣閘內空氣再循環率、採用「雙層航天服」，使用防塵罩，應用高等級磁性分離，以及通過太陽光通量燒結和熔化月壤[21][22][23]。

當前價值

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阿波羅太空人從六處着陸點共帶回了約360公斤（790磅）的月岩，儘管該材料被隔離在真空包裝瓶中，但現在已無法用於詳細的化學或物理分析——砂質顆粒已磨損了真空瓶的刃口密封銦片，空氣慢慢滲漏了進去。從月球帶回的每一個樣本都受到了地球空氣和潮濕污染，塵埃已經染上了一層鏽跡，並由於與地球上的水和氧分子結合，其化學反應性早已消失，這些塵土的化學和靜電性質已與未來太空人在月球上遇到的情況不再相符[14]。

2014年，當美國政府批准出售太空人擁有和收集的私人材料，被月塵污染的物品終於向公眾開放[24]。當時，在用於銷售的物品中，只有一根行李帶在月球上逗留了32小時以上，並沾染到真正的月塵。查爾斯·「皮特」·康拉德在阿波羅12號任務中的一件宇航服，在他的莊園拍賣會上賣給了一位私人收藏者[25]；2017年，尼爾·阿姆斯特朗1969年收集的月壤被拍賣[26]。雖然許多珠寶和鐘錶製造商聲稱他們的產品含有「月塵」，但據信這些產品只含有一點來自月球隕石的碎屑和塵埃。2020年9月11日，美國宇航局宣佈，它願意通過向商業供應商徵求建議來為月壤創造一個商業市場[27]。

參見

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參考資料

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  1. ^ Heiken; Vanniman & French. Lunar Sourcebook. Cambridge University Press. 1991: 756. ISBN 978-0-521-33444-0. 
  2. ^ Explosive Volcanic Eruptions on the Moon. [2021-10-16]. （原始內容存檔於2017-11-26）. 
  3. ^ Heiken, Grant. Lunar sourcebook : a user's guide to the moon. Cambridge England New York: Cambridge University Press. 1991. ISBN 978-0-521-33444-0. OCLC 23215393. 
  4. ^ Zellner, N. E. B. Lunar Impact Glasses: Probing the Moon's Surface and Constraining its Impact History. Journal of Geophysical Research: Planets (American Geophysical Union (AGU)). 2019, 124 (11): 2686–2702. ISSN 2169-9097. doi:10.1029/2019je006050 可免費查閱. 
  5. ^ Taylor, G. Jeffrey; Martel, Linda M.V.; Lucey, Paul G.; Gillis-Davis, Jeffrey J.; Blake, David F.; Sarrazin, Philippe. Modal analyses of lunar soils by quantitative X-ray diffraction analysis. Geochimica et Cosmochimica Acta (Elsevier BV). 2019, 266: 17–28. ISSN 0016-7037. doi:10.1016/j.gca.2019.07.046. 
  6. ^ Li, Shuai; Lucey, Paul G.; Fraeman, Abigail A.; Poppe, Andrew R.; Sun, Vivian Z.; Hurley, Dana M.; Schultz, Peter H. Widespread hematite at high latitudes of the Moon. Science Advances (American Association for the Advancement of Science (AAAS)). 2020, 6 (36): eaba1940. ISSN 2375-2548. PMC 7467685 可免費查閱. doi:10.1126/sciadv.aba1940. 
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  13. ^ Strange Things Happen at Full Moon. LiveScience. （原始內容存檔於2008-10-15）. 
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  16. ^ Don't Breathe the Moondust | Science Mission Directorate. science.nasa.gov. [2021-01-04]. （原始內容存檔於2021-11-16）. 
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  18. ^ Professor Larry Taylor, Director of the Planetary Geosciences Institute at the University of Tennessee
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  20. ^ Dr. John R. Cain, "Moon dust - a danger to lunar explorers", Spaceflight, Vol. 52, February 2010, pp. 60–65
  21. ^ Dr. John R. Cain, "Lunar dust: the hazard and astronaut exposure risks", Earth, Moon, Planets doi:10.1007/s11038-010-9365-0 October 2010.
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  23. ^ Young, Kelly. Lint rollers may collect dangerous Moon dust. New Scientist. 6 March 2007 [17 February 2008]. （原始內容存檔於2014-12-13）. While hailed as a potential source of oxygen and metals, Moon dust is a concern because doctors fear the smallest grains could lodge in astronauts' lungs, possibly causing long-term health effects. 
  24. ^ New Law says astronauts can keep (or sell) their space artifacts. collectspace.com. [2021-10-16]. （原始內容存檔於2021-10-16）. 
  25. ^ Apollo 12 astronaut's mementos up for auction. collectspace.com. 23 April 2014 [2021-10-16]. （原始內容存檔於2021-10-19）. 
  26. ^ Moon dust collected by astronaut Neil Armstrong to be sold at auction. ITV News. [2017-07-13]. （原始內容存檔於2021-10-21） （英語）. 
  27. ^ NASA will buy moon rocks and dirt from private companies. The Verge. 11 September 2020 [2021-10-16]. （原始內容存檔於2021-10-19）. 

外部連結

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