2040年前人类殖民月球?关于月球你需要了解的事实

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发布日期:2017年09月26日 所属分类:天文

致知网(zillior.com)综合编译,欧洲科学家描绘出月球殖民的景象——2040年之前,将会有100人住在月球,融冰为水、用3D打印建造房子与工具、吃着用月球土壤种出的植物和从事低重力、“会飞”的运动。

据法新社报道,虽然被人嘲笑相关谈话犹如科幻小说,但如欧洲太空总署(ESA)策划“月球村”(Moon Village)计划大使佛英(Bernard Foing)等专家,仍然坚持他们“进军”月球的目标不仅合理,而且行得通。

人类殖民月球艺术想像图。

人类殖民月球艺术想像图。

在日前拉脱维亚首都里加(Riga)举办地欧洲行星科学大会(European Planetary Science Congress, 2017)上,佛英详细说明人类如何能永久常驻于月球并逐步扩展的景象。他把人类常驻月球比做铁道成长,聚落会在火车站周边如雨后春笋般出现,然后商业接踵而来。

佛英预测,在2030年之前,可能会有初步的月球殖民,由科学家、技术人员、工程师组成6到10人的先遣人员,到2040年之前,人数可能增至100人。佛英说:“在2050年,我们可能有1000人,然后,很自然地就可以设想家人加入当地的人员。”他充满热情地说,不过几十年后,“可能就会有在月球出生的孩童”。

佛英说:“要进入地球轨道,从月球出发要比从地球出发便宜40倍,因为地球有巨大的重力要克服。”

月球,地球唯一的卫星

月球是人们在夜晚最容易发现的天体,它是地球唯一的卫星,它在夜空中有时非常明亮,有时晕暗,只露出小月牙状。月相变化规律符合一次满月至下一次满月的变化过程,月球相位和轨道对于许多人而言是非常神秘的。例如:月球总是朝向相同一侧,这种情况出现是由于它自转和环绕地球的周期相同,都是27.3天。

2040年前人类殖民月球?关于月球你需要了解的事实

微信启动画面里的地球,就是阿波罗17号的3位宇航员(尤金·塞尔南、罗纳德·埃万斯、哈里森·施密特)拍摄的(2017年9月,微信已将这个地球画面替换为中国风云四号气象卫星拍摄的照片)。

上图背后的故事,也可参见:拍摄微信地球启动画面的人 离开了地球

我们看到满月、半月或者新月,是由于月球反射太阳光线程度不同所致,同时,我们观看到月球出现的月相变化还与月球与地球和太阳的相对位置有关。

虽然月球是地球的卫星,直径大约3475公里,比冥王星体积略大。它是太阳系第五大卫星,月球直径是地球直径的27%,比其它行星和卫星直径比率大许多,这意味着月球对地球具有较大影响,对地球孕育生命具有促进作用。

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2013年5月26日,天体摄影学家安东尼·洛佩兹(Anthony Lopez)在靠近美国边境的墨西哥华瑞兹市拍摄到一张满月照片。

月球,太阳系中离地球最近的天体,也是到目前为止人类唯一踏足过的地外天体。关于月球,你可能需要了解一些鲜为人知的事实。

月球如何形成?

目前,科学界有许多关于月球如何形成的理论观点,但是近期证据表明,远古时期一次巨大碰撞,撕裂部分地球质量形成月球。(可参见:“大碰撞理论”遭质疑,月球起源再次成谜

月球形成的主流理论显示,一次巨大碰撞导致地球原始部分分离,并环绕地球轨道运行。科学家暗示此次碰撞事件使地球损失大约10%的质量,体积相当于火星。由于地球和月球成分非常相似,研究人员推测此次碰撞事件发生在太阳系形成之后的9500万年,月球形成过程花费了大约3200万年时间。据悉,太阳系形成于大约46亿年前。

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部分研究人员称“大碰撞理论”无法与月球观测证据相匹配。| NASA

2015年最新研究基于太阳系早期对行星轨道的模拟,以及在地球和月球上探测到钨-182元素的差异性,进一步强调和支持该理论。虽然一次较大碰撞理论在科学界讨论中占据主导地位,但是关于月球的形成还有其它一些观点,其中包括:月球是从地球分离出来的,地球通过引力束缚月球。最新一项观点认为,地球可能是从金星“窃取”月球。

月球轨道特征

美国宇航局勘测的月球轨道数据如下:月球与地球的平均距离为384400公里;月球近地点距离地球363300公里;月球远地点距离地球405500公里;月球轨道周长2413402公里;月球平均轨道速度为3680.5公里/小时。

当年,“阿波罗11号”“阿波罗14号”“阿波罗15号”宇航员分别在月面上安放了3台激光反射镜。世界各地的天文台都一直使用这些反射镜测量地月距离。当激光对准反射镜所在位置发射时,有相当一部分光会集中在同一瞬间返回,使地月距离精确度达到了厘米级别。

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天空观测者尼克·罗斯(Nick Rose)在美国加州密尔布瑞拍摄的月全食景象。

月球轨道和地球之间的关系

月球引力对地球产生牵引作用,造成可预测的地球海平面上升和海平面下降。在较小程度上,潮汐也出现在湖泊、大气层和地球地壳内部。

涨潮出现在海洋水位上升的时候,低潮出现在海洋水位较低的时候,受引力作用,地球上最接近月球的一侧将出现涨潮,同时,由于海水惯性,涨潮也出现在距离月球最远的地球一侧。低潮出现在两个潮峰之间。

同时,月球引力牵引也减缓了地球旋转速度,这种效应叫做“潮汐制动(tidal braking)”,它使地球平均每100年一天长度增加2.3毫秒。地球损耗的能量被月球获取,逐渐增大了与地球之间的距离,这意味着月球每年与地球的距离平均增加3.8厘米。

月球的引力牵引可能是地球成为宜居行星的关键因素,它通过调节地球轴倾角摆动角度使地球成为一颗宜居行星,这将产生一个相对稳定的气候,在数十亿年时间里生命得以蓬勃发展。

月球并不会毫无损失地脱离地球,一项最新研究表明,地球引力在月球早期就将月球拉伸成一个畸形结构。

“月球背面”到底有什么?

一直以来,我们经常会听到有关于月球背面的各种传言。很多科幻小说声称,月球背面是外星人的基地,从月球背面图像中可以识别出外星人的宇宙飞船,甚至美军在二战末期失踪的轰炸机也出现在了月球背面,在百慕大失踪的飞机轮船也都被外星人劫持到了月球背面。他们声称,阿波罗登月的宇航员在月球背面见到了令人吃惊的物体,可能是外星人在月球上的遗留物,等等。也有传言认为,月球内部是空心的,里面是外星人居住的巨大城市。这些以讹传讹的传言经过不断演绎,甚至堂而皇之地登上了正规出版物,让人难辨真假。可参见:“月球背面”到底有什么?

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月球背面影像,这是由中国的嫦娥二号7米分辨率设备拍摄。(国家天文台月球与深空探测研究部供图)

月球背面之所以显得神秘,原因在于我们无法从地球上直接观测到月球背面。但月球为什么会出现正面和背面?

首先要从月球的运动说起。月球可以被视作一个刚性的球体,它的运动可分为质心的运动(公转)和环绕质心的转动(自转)两部分。在研究月球的质心运动时,我们通常将月球和地球近似视为全部质量集中在质心的质点,并且只有彼此相互吸引的引力作用,构成地月系统。从惯性坐标系内观察,地月二体系统的公共质心绕太阳公转,月球和地球又分别绕它们的公共质心作相互转动。

月球背向地球的半球离地球较远,受到的地球引力较面向地球的半球小,即月球的腹背受力是不同的。如果月球自转周期与绕地球的公转周期不相等,那么月球上同一部位受到的地球引力是随时间变化的,将导致月球不同岩层之间摩擦,逐渐减慢自转的速度,最终使得月球自转的周期恰好等于它绕地球公转的周期,即月球被地球的引力潮汐锁定。潮汐锁定后,从地球上看月球,就永远只能看到月球的一面。

迄今为止,还没有航天器登陆过月球背面,但科学家并不缺乏月球背面的探测数据。1959年,苏联发射的月球2号探测器在飞越月球时,第一次拍到了月球背面的图像。上世纪六七十年代,美国和苏联的月球探测器多次获得了月球背面图像,阿波罗8号宇航员、以及之后登月的阿波罗宇航员都飞到了背面,从月球上空亲眼看到了月球之背的荒凉景象。

21世纪以来,美国、中国、印度、日本、欧洲的月球探测器对月球进行了更高分辨率的详细探测。2009年6月19日发射的月球勘测轨道器(LRO)已经获得了分辨率优于1米的全月球影像,可以清晰辨认出阿波罗登月时遗留在月球表面的月球车、登月舱等,当然也包括月球背面的高清影像。除登陆月球的着陆器和月球车外,月球探测器大多采用极轨方式运行,即从北极往南极再飞回北极。因此,每一圈飞行中都有半圈在月球背面,半圈在月球正面。

自2003年以来的12年中,已经有包括嫦娥一号、二号、三号在内的11个月球探测器飞临月球,获得了月球背面的大量探测数据,包括地形地貌、物质成分、表面环境等详细信息。

月食

在月食期间,月球、地球和太阳排成一线,月食出现在地球直接或者几乎直接位于太阳和月球之间,地球的阴影落在月球上,仅在满月的时候才出现月全食。

日食出现在月球直接或者几乎直接位于太阳和地球之间,月球的阴影落在地球上,仅在新月的时候才会出现日全食。由于月球的阴影在地球表面很小,所以只有在非常小的区域范围内才能观测到罕见的日食。美国境内最近一次日全食发生在2017年8月,预计下一次日全食将出现在2024年4月。

可参见:日全食纯属巧合?为什么月亮会完美地遮蔽太阳

内部结构

月球很可能拥有一个非常小的内核,只占月球质量的1-2%,直径大约680公里,其主要成分可能是铁,但也可能包含着大量硫和其它元素。

月球岩石地幔厚度大约1330公里,主要是由富含铁和镁的致密岩石构成,远古时期月球地幔岩浆向表面涌动,火山活动持续了10亿多年时间,从40亿年前至30亿年前。

月球顶部地壳平均深度为70公里,其最外层受较大碰撞而产生分解,破裂地带在表面之下9.6公里处暴露出月球内部物质。

2040年前人类殖民月球?关于月球你需要了解的事实

月球内部结构图。

表面成分

月球是一颗岩石卫星,数百万年前大量小行星碰撞月球,导致其表面遍布“疤痕”。由于月球没有气候变化,因此月球表面的陨坑并未受到侵蚀。

月球表面成分包括:43%的氧、20%的硅、19%的镁、10%的铁、3%的钙、3%的铝、0.42%的铬,0.18%的钛和0.12%的锰。

轨道飞行器在月球表面发现了水的痕迹,这些水可能来自月球表面深处。同时,科学家还观测发现数百个陨坑,它们将成为月球表面的长期勘测目标。

2017年一项最新研究显示,月球内部可能存在大量水。

2017年一项最新研究显示,月球内部可能存在大量水。

月球勘测轨道器(LRO)的持续观测表明,月球南极斜坡上有大量水,虽然科学家警告称,该水分含量与地球极端干旱沙漠的含水量相近。此外,2017年一项最新研究显示,月球内部可能存在大量水。可参见:月球含水量超出我们预期:或有一座地下水库

月球大气层

月球的大气层非常稀薄,所有一层灰尘或者一个脚印,数个世纪也不会遭受破坏。

同时,由于没有太多的大气,热量不会在月球表面聚集,所以温度变化范围不大。月球阳面的表面温度可达到134摄氏度,月球阴面的表面温度大约零下153摄氏度。

月球季节

地球旋转轴处于倾斜,这与黄道平面有关,黄道平面是地球环绕太阳公转的一个虚拟表面。这意味着地球南半球和北半球有时会根据一年的时间,朝向太阳或者远离太阳,改变接收照射的太阳光线,并形成相应的地球季节。

地球轴倾角大约23.5度,但是月球轴倾角仅有1.5度,因此月球几乎没有季节变化,这意味着月球有些区域总是被阳光照射,而其它区域则总是被阴影笼罩着。

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观测月相图像,研究人员能够分析残月和凸月的盈亏变化差异。

探索&研究

一些古人认为月球是“一碗火”,然而其他人认为,月球是一面镜子,可以反射地球的陆地和海洋,但是古希腊哲学家们知道月球是环绕地球运行的一个球状天体,月光反射太阳光线。希腊人还认为,月球的黑暗区域是海洋,而明亮区域是陆地,这些观点影响了该区域的当前命名——“maria”和“terrae”,这两个词分别代表了海洋和陆地。

先驱天文学家伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)是第一个使用望远镜对月球进行科学观测的科学家,他在1609年的研究报告中描述称,月球是表面崎岖,并且分布许多山脉,这与他之前认为月球表面光滑的大众观点完全不同。

1959年,前苏联发射一艘宇宙飞船碰撞在月球表面,并拍摄传回月球远侧面第一张照片。这促使前苏联和美国展开一系列太空任务进行竞争,观测分析月球表面。多数最初观测任务都是失败的,或者仅是部分成功。然而,随着时间推移,这些早期探测器传回了关于月球表面和地质历史的信息,美国发射了“先锋者”、“漫游者”和“勘测者”系列太空任务,而前苏联则以“Luna”和“Zond”命名探测器。1959年,“Luna2号”探测器是首个碰撞月球的太空飞船,1966年,“Luna9号”探测器是首个软着陆月球表面的太空飞船。

2040年前人类殖民月球?关于月球你需要了解的事实

上世纪60-70年代,美国宇航局派遣宇航员抵达月球轨道,并登陆月球表面。

上世纪60-70年代,美国宇航局派遣宇航员抵达月球轨道,并登陆月球表面,1968年,美国“阿波罗8号”载人太空飞船抵达月球轨道,1969年,“阿波罗11号”派遣宇航员登陆月球表面。毋庸置疑这是美国宇航局历史上最辉煌的太空成就,在接下来的5次太空任务中,宇航员们从月球表面采集了382公斤重的月球岩石和土壤样本,返送到地球表面进行研究。可参见:为什么说阿波罗登月计划不是骗局?

月球仍是迄今唯一人类造访的地外天体,科学家继续研究月球岩石样本,同时,伴随着科学技术进步获得了新的发现。例如:2016年,阿波罗15、16和17号探测器采集的月球样本中发现水,这是一项令人关注的重大发现,之前研究分析认为这些月球岩石非常干燥。

虽然1972年结束了人类登陆月球的探索活动,但是机器勘测任务仍在继续。

上世纪60-70年代,前苏联仍保持着月球探索活跃度,即使美国宇航局阿波罗号宇航员登陆月球表面。1970年9月,前苏联“Luna 16”任务首次从月球表面采集样本送回地球,仅两个月之后,前苏联部署了第一个机械月球车“Lunokhod 1”。1973年,部署了“Lunokhod 2”机械月球车,设定了长达40年的月球全表面勘测任务,直到2014年“机遇号”火星车才取代它。

经历了十几年的“小插曲”,美国探月活动于上世纪90年代再度燃起,分别发射了“克莱门汀号”环月轨道探测器和“月球勘探者”探测器,这两项太空任务表明水可能存在于月球极地。2009年发射月球勘测轨道器(LRO)和月球陨坑观测与遥感卫星(LCROSS),进一步证实月球极地水的真实性。同时,上世纪90年代,其它太空项目已非常先进,足以让新的国家开始探索月球,第一个成功的任务是日本“飞天号(Hiten)”和“缪斯-A号”探测器,于1990年发射升空。

2003年,欧洲航天局发射首个月球太空任务——“SMART-1”,之后2007年中国发射“嫦娥1号”探月飞船,2008年印度发射“月船1号(Chandrayaan-1)”飞船,然而2009年Chandrayaan-1飞船与地面失去联系。2013年,中国月球探索历史取得了重大成绩,“嫦娥3号”探月飞船完成月球登陆。

2011年,美国宇航局月球勘测轨道器传回最完整的月球表面地图,其拍摄的月球表面高分辨率图像不仅提供关于水和地质的重要信息,还拍摄了各种航天器和火箭着陆和碰撞地点的照片。2017年,美国宇航局使用地球射电望远镜也发现了印度Chandrayaan-1飞船。

美国宇航局其它近期探月任务还包括:引力恢复和内部实验室(GRAIL),它检测了月球引力场,以及月球大气和尘埃环境探测器(LADEE)。

并非只是国家机构对月球展开探索活动,2014年,首次商业公司发射太空任务对月球进行了研究分析,商业公司探索可能开启月球采矿的第一步,尽管所有权和合法性仍存在巨大争议。可参见:如果有一天殖民月球,该买哪儿的房?

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