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读特专稿|还原嫦娥五号月球历险记:月表钻探突然叫停,到底发生了什么?

读特专稿|还原嫦娥五号月球历险记:月表钻探突然叫停,到底发生了什么?

嫦娥五号任务是我国探月工程既定“绕、落、回“三部曲战略的收官之作,2020年嫦娥五号探测器着陆于月球正面的月海“风暴洋”吕姆克山脉,着陆器共采集了1731克月球样品返回地球。近日,深圳大学深空与深地学科交叉研究中心及其合作单位利用嫦娥五号着陆器雷达观测数据,揭秘了着陆区月壤层内部结构和物理特性的秘密,为研究月球表面地质过程的演化与形成和浅层所蕴藏的资源提供了坚实的基础。

读特专稿|还原嫦娥五号月球历险记:月表钻探突然叫停,到底发生了什么?

什么是雷达“透视眼”?

在自然界中,蝙蝠是几乎不靠眼睛观察周围的环境,而是通过自身发射超声波对障碍物进行测距和定位,以免撞伤自己。雷达其实是模拟蝙蝠行为的仿生技术,不同之处在于蝙蝠发射的是超声波而雷达发射的是电磁波。我国嫦娥五号着陆器也携带了一台雷达,主要是用于协助月壤钻孔采样。雷达设备好似一双“透视眼”,可以透视观测月表之下月壤内部的结构及其所蕴藏的资源。

为何月壤采样的钻孔深度是1米?

在嫦娥五号发射前,科学家们原本预计在月球表面钻孔采样2米的深度。但是,实际上我们只在月球上钻孔采样了约为1米的深度,这是为什么?那是因为嫦娥五号着陆区是迄今探月任务中着陆区地质年龄最年轻的区域,它内部月壤的情况几乎无人知晓,可能的参考是阿波罗探测时代认为月壤几乎都是细粒且蓬松的物质。因此探测任务根据实际情况存在一定变数。

着陆后,嫦娥五号通过雷达“透视眼”扫视了月表下的情况发现,着陆区约2.5米之内并不都是细粒月壤,而是存在大量的石块碎片。钻孔设备在达到月表下大约0.4米的时候,阻力突然增大达到345牛顿。当时,负责钻孔采样的科学家们都非常紧张,因为钻孔采样设备的内径仅有1.5厘米,遇到石块堆的话,很容易吸入小石子而卡住钻孔设备,从而导致整个钻孔任务失败。科学家们通过分析雷达的图像发现,这个区域的碎石数量并不是很多,而且较为分散,因此果断下达了继续钻孔的指令。

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雷达“透视眼”揭示嫦娥五号着陆区月壤内部结构。图源:苏彦等

然而,当到达月表下约1米的时候,此时传回地球的数据显示阻力达到了549牛顿,而无法继续往下钻探。同时,雷达图像也显示钻孔遇到了更大的碎石块堆。如果继续钻探,任务失败的风险会很高,也可能会导致前期已经钻孔约1米的月壤物质因钻孔被卡住而无法返回地球。于是,科学家们经过讨论后决定提前结束钻孔,下达钻孔月壤返回地球的指令。

嫦娥五号着陆区月表下有什么?

研究团队通过对嫦娥五号雷达观测数据高精度的成像,率先揭示了着陆区月表下约2.5米内的结构及其物理特性参数。研究表明,着陆区表层约1米的深度为发育在徐光启撞击坑溅射物之上的月壤和碎石的混合物,之下为古月壤物质。但由于表层溅射物与古月壤之间的物质差异性不是很明显,所以雷达并没有观测到明显的分界层面。团队进一步量化了着陆区月壤对雷达“透视眼”穿透特性的研究,计算了影响“透视眼”穿透能力的参数与月球表面年龄之间的关系。研究表明,嫦娥五号着陆区月表年龄为20亿年,雷达“透视眼”在着陆区月壤中传播呈高损耗的特点。

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嫦娥在月球采样土壤。图源:中国探月

此外,研究团队也估算了月壤内部钛铁含量值为28.21%,其含量偏高,这说明嫦娥五号着陆区所蕴含的原位钛铁矿资源可能较为丰富,这可为未来我国建立国际月球科研站原位资源利用提供了前期观测的有力参考。

研究团队受国际行星雷达知名科学家Roberto Orosei教授邀请,该成果已经在线发表于遥感领域权威期刊《遥感》的专刊“行星雷达探测”上。深圳大学高等研究院助理教授丁春雨博士为第一作者,中国科学院国家天文台苏彦研究员和土木工程学院黄少鹏教授为共同通讯作者,深圳大学李清泉教授和中国科学院国家天文台李春来研究员等为合作者。



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原文地址《 读特专稿|还原嫦娥五号月球历险记:月表钻探突然叫停,到底发生了什么?》发布于2022-11-12
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