第十一章 零号站建造计划白皮书
零号站建造计划白皮书 第三章第一节 月球 关于最早观测并获得地月距离数据的人是公元前180年的小亚细亚人伊巴谷，通过简单的仪器计算并记录的数据是37万千米，同时发现了岁差现象。第一个到达月球的人造物体是前苏联的无人登陆器“月球2号”，它于1959年9月14日撞向月面。“月球2号”在同年10月7日拍摄了月球背面的照片。“月球9号”则是第一艘在月球软着陆的登陆器，它于1966年2月3日传回由月面上拍摄的照片。“月球10号”于1966年3月31日成功入轨，成为月球第一颗人造卫星在冷战期间，美国和前苏联一直希望在太空科技领先对方。这场太空竞赛在1969年7月19日第一名人类登陆月球时进入**。美利坚合众国“阿波罗11号”的指令长尼尔·阿姆斯特朗是踏足月球的第一人，“阿波罗11号”的太空人留下了一块9英寸乘7英寸的不锈钢牌匾在月球表面，以纪念这次登陆及为有可能发现它的其他生物提供一些资料。尤金·塞尔南则是最后一个站立在月球上的人，他是1972年12月“阿波罗17号”任务的成员。 6次的阿波罗号任务及3次无人月球号任务（月球16、20、24号）把月球上的岩石及土壤样本带回地球。自此之后再也没有任何的国家和地区派遣人类登陆月球，只有很少的一部分国家通过机器人的帮助获得了一部分土壤样本，以供研究使用。由于月球资源和其他能源的丰富性，引来了各国的诸多的开发方案。但是都是由于经济和政治原因造成方案的停批或者建设中途破产。由于零号站的建设需求、地面新星以及未来探空的需求新星对月球进行了诸多的调查。 月球 天文数据 平均轨道半径384,403千米。 轨道偏心率0.0549。 近地点距离363,300千米。 远地点距离405,493千米。 平均公转周期27.32天。 平均公转速度1.023千米/秒。 轨道倾角在28.58°与18.28°之间变化。 升交点赤经125.08°。 近地点辐角318.15°。 平均月地距离384400千米。 交点退行周期18.61年。 近地点运动周期8.85年。 食年346.6天。 沙罗周期18年10/11天。 轨道与黄道的平均倾角4°。 月球赤道与黄道的平均倾角1°。 赤道直径3,476.2千米。 两极直径3,472.0千米。 扁率0.0012。 表面面积3.79×10平方千米。 体积2.199×101立方千米。 质量7.349×1022千克。 平均密度为水的3.350倍。 赤道重力加速度1.622m/s2（地球的1/6）。 逃逸速度3千米/秒。 自转周期27天7小时43分11.559秒（27.32天，同步自转）。 自转速度16.655米/秒（月球赤道）。 自转轴倾角在3.60°与6.69°之间变化与黄道的交角为1.5424°。 反照率0.12 满月时视星等-12.74。 表面温度(t)-233~123℃平均23℃。 大气压1.3×101千帕。 月周期 名称数值（单位：天）定义 恒星月27.321661相对于背景恒星 朔望月29.530588相对于太阳（月相） 分点月27.321582相对于春分点 近点月27.554550相对于近地点 交点月27.212220相对于升交点 月球的直径是地球平均直径的1/4，质量只是地球的1/81，引力是地球的1/6。 结构数据 亮度 月球本身并不发光，只反射太阳光。月球亮度随日、月间角距离和地、月间距离的改变而变化，满月时的亮度比上下弦要大十多倍。[ 月球平均亮度为太阳亮度的1/465000，亮度变化幅度从1/630000至1/375000。满月时亮度平均为-12.7等（见）。它给大地的照度平均为0.22勒克斯，相当于100瓦电灯在距离21米处的照度。月面不是一个良好的反光体，它的平均反照率只有9%，其余91%均被月球吸收。月海的反照率更低，约为7%。月面高地和环形山的反照率为17%，看上去山地比月海明亮。[1] 月球到地球的距离相当于地球到太阳的距离的1/400，所以从地球上看月亮和太阳一样大。 大气环境 由于月球上没有大气，再加上月面物质的热容量和导热率又很低，因而月球表面昼夜的温差很大。白天，在阳光垂直照射的地方温度高达127℃；夜晚，温度可降低到-183℃。这些数值，只表示月球表面的温度。用射电观测可以测定月面土壤中的温度，这种测量表明，月面土壤中较深处的温度很少变化，这正是由于月面物质导热率低造成的。 分层结构 从月震波的传播了解到月球也有壳、幔、核等分层结构。最外层的月壳平均厚度约为60-64.7公里。月壳下面到1000公里深度是月幔，它占了月球的大部分体积。[1] 月幔下面是月核，月核的温度约为1000℃，所以很可能是熔融状态的据推测大概是由Fe-Ni-S和榴辉岩物质构成。 月球的地理数据 月球表面有阴暗的部分和明亮的区域，亮区是高地，暗区是平原或盆地等低陷地带，分别被称为月陆和月海。早期的天文学家在观察月球时，以为发暗的地区都有海水覆盖，因此把它们称为“海”。著名的有云海、湿海、静海等。而明亮的部分是山脉，那里层峦叠嶂，山脉纵横，到处都是星罗棋布的环形山，即月坑，这是一种环形隆起的低洼形。月球上直径大于1000米的环形山多达33000多个。位于南极附近的贝利环形山直径295公里，可以把整个海南岛装进去。最深的山是牛顿环形山，深达8788米。除了环形山，月面上也有普通的山脉。高山和深谷叠现，别有一番风光。 月球背面的结构和正面差异较大。月海所占面积较少，而环形山则较多。地形凹凸不平，起伏悬殊最长和最短的月球半径都位于背面，有的地方比月球平均半径长4公里，有的地方则短5公里（如范德格拉夫洼地）。背面未发现“质量瘤”。背面的月壳比正面厚，最厚处达150公里，而正面月壳厚度只有60公里左右。 环形山 环形山这个名字是伽利略起的。是月面的显著特征，几乎布满了整个月面。最大的环形山是南极附近的贝利环形山，直径295千米，比海南岛还大一点。小的环形山甚至可能是一个几十厘米的坑洞。直径不小于1000米的大约有33000个。占月面表面积的7%-10%。 有个日本学者1969年提出一个环形山分类法，分为克拉维型（古老的环形山，一般都面目全非，有的环山中有山）哥白尼型（年轻的环形山，常有“辐射纹”，内壁一般带有同心圆状的段丘，中央一般有中央峰）阿基米德型（环壁较低，可能从哥白尼型演变而来）碗型和酒窝型（小型环形山，有的直径不到3米）。 月海 在地球上的人类用rou眼所见月面上的阴暗部分实际上是月面上的广阔平原。由于历史上的原因，这个名不副实的名称保留下来。 已确定的月海有22个，此外还有些地形称为“月海”或“类月海”的。公认的22个绝大多数分布在月球正面。背面有3个，4个在边缘地区。在正面的月海面积略大于50%，其中最大的“风暴洋”面积约五百万平方公里，差不多九个法国的面积总和。大多数月海大致呈圆形，椭圆形，且四周多为一些山脉封闭住，但也有一些海是连成一片的。除了“海”以外，还有五个地形与之类似的“湖”——梦湖、死湖、夏湖、秋湖、春湖，但有的湖比海还大，比如梦湖面积7万平方千米，比汽海等还大得多。月海伸向陆地的部分称为“湾”和“沼”，都分布在正面。湾有五个：露湾、暑湾、中央湾、虹湾、眉月湾；沼有三个：腐沼、疫沼、梦沼，其实沼和湾没什么区别。 月海的地势一般较低，类似地球上的盆地，月海比月球平均水准面低1-2千米，个别最低的海如雨海的东南部甚至比周围低6000米。月面的反照率（一种量度反射太阳光本领的物理量）也比较低，因而看起来显得较黑。 月陆和山脉 月面上高出月海的地区称为月陆，一般比月海水准面高2-3千米，由于它返照率高，因而看来比较明亮。在月球正面，月陆的面积大致与月海相等但在月球背面，月陆的面积要比月海大得多。从同位素测定知道月陆比月海古老得多，是月球上最古老的地形特征。 在月球上，除了犬牙交差的众多环形山外，也存在着一些与地球上相似的山脉。月球上的山脉常借用地球上的山脉名，如阿尔卑斯山脉，高加索山脉等等，其中最长的山脉为亚平宁山脉，绵延1000千米，但高度不过比月海水准面高三、四千米。山脉上也有些峻岭山峰，过去对它们的高度估计偏高。如今认为大多数山峰高度与地球山峰高度相仿。1994年，美国的克莱门汀月球探测器曾得出月球最高点为8000米的结论，根据“嫦娥一号”获得的数据测算，月球上最高峰高达9840米。月面上6000米以上的山峰有6个，5000-6000米20个，3000-6000米则有80个，1000米以上的有200个。月球上的山脉有一普遍特征：两边的坡度很不对称，向海的一边坡度甚大，有时为断崖状，另一侧则相当平缓。 除了山脉和山群外，月面上还有四座长达数百千米的峭壁悬崖。其中三座突出在月海中，这种峭壁也称“月堑”。 月面辐射纹 月面上还有一个主要特征是一些较“年轻”的环形山常带有美丽的“辐射纹”，这是一种以环形山为辐射点的向四面八方延伸的亮带，它几乎以笔直的方向穿过山系、月海和环形山。辐射纹长度和亮度不一，最引人注目的是第谷环形山的辐射纹，最长的一条长1800千米，满月时尤为壮观。其次，哥白尼和开普勒两个环形山也有相当美丽的辐射纹。据统计，具有辐射纹的环形山有50个。 形成辐射纹的原因至今未有定论。实质上，它与环形山的形成理论密切联系。许多人都倾向于陨星撞击说，认为在没有大气和引力很小的月球上，陨星撞击可能使高温碎块飞得很远。而另外一些科学家认为不能排除火山的作用，火山爆发时的喷射也有可能形成四处飞散的辐射形状。 月谷 地球上有着许多著名的裂谷，如东非大裂谷。月面上也有这种构造----那些看来弯弯曲曲的黑色大裂缝即是月谷，它们有的绵延几百到上千千米，宽度从几千米到几十千米不等。那些较宽的月谷大多出现在月陆上较平坦的地区，而那些较窄、较小的月谷（有时又称为月溪）则到处都有。最著名的月谷是在柏拉图环形山的东南连结雨海和冷海的阿尔卑斯大月谷，它把月球上的阿尔卑斯山拦腰截断，很是壮观。从太空拍得的照片估计，它长达130千米，宽10-12千米。 2014年10月5日，科学家在月球上发现一个隐藏于地下的巨形的方形结构。这一结构宽2500公里，科学家们认为这是一条古老的裂谷系统，后来其中充填了岩浆。[8] 火山分布 月球的表面却被巨大的玄武熔岩（火山熔岩）层所覆盖。早期的天文学家认为，月球表面的阴暗区是广阔的海洋，因此，他们称之为“mare”，这一词在拉丁语中的意思就是“大海”，当然这是错误的，这些阴暗区其实是由玄武熔岩构成的平原地带。除了玄武熔岩构造，月球的阴暗区，还存在其他火山特征。最突出的，例如蜿蜒的月面沟纹、黑色的沉积物、火山园顶和火山锥。不过，这些特征都不显著，只是月球表面火山痕迹的一小部分。 与地球火山相比，月球火山可谓老态龙钟。大部分月球火山的年龄在30-40亿年之间；典型的阴暗区平原，年龄为35亿年；最年轻的月球火山也有1亿年的历史。而在地质年代中，地球火山属于青年时期，一般年龄皆小于10万年。地球上最古老的岩层只有3.9亿年的历史，年龄最大的海底玄武岩仅有200万岁。年轻的地球火山仍然十分活跃，而月球却没有任何新近的火山和地质活动迹象，因此，天文学家称月球是“熄灭了”的星球。 地球火山多呈链状分布。例如安底斯山脉，火山链勾勒出一个岩石圈板块的边缘。夏威夷岛上的山脉链，则显示板块活动的热区。月球上没有板块构造的迹象。典型的月球火山多出现在巨大古老的冲击坑底部。因此，大部分月球阴暗区都呈圆形外观。冲击盆地的边缘往往环绕着山脉，包围着阴暗区。 月球阴暗区主要出现在月球较远的一侧。几乎覆盖了这一侧的1/3面积。而在较远一侧，阴暗区的面积仅占2%。然而，较远一侧的地势相对更高，地壳也较厚。由此可见，控制月球火山作用的主要因素是地表高度和地壳厚度。 资源 2013年据国外媒体报道，NASA正在开发一种新型月球车用来寻找月球上的“水资源”，科学家已经发现月球两极地区存在大量的冰水物质，如果将这些“水资源”开采，或可满足未来登月以及地月轨道补给站的需求。新型月球水资源及矿物探测器将于2017年发射，可对月球风化层、表面环境、氧气以及挥发物提取并探测。月球车将采用太阳能为主要动力，但这并非最佳选择，因为冰水物质存在于月球两极的永久阴影区内，这里并没有太阳光的照射。 未来的月球基地将使用来自月球极区的冰冻水，也可供给地月轨道上的空间站 月球车只能充满电后进入永久阴影区，对此NASA肯尼迪航天中心前项目主管威廉·拉尔森认为正常情况下需要使用核动力月球车对月球“水资源”以及挥发物进行探索，由于经费的问题只能选择太阳能，该动力更加实惠，项目预算只有2.5亿美元，其中包括了发射火箭的费用。当月球车成功登陆月球后，大约有2.5天的光照时间，并开始寻找氢，然后会进入两天的黑暗期。科学家为月球配备了钻探工具，使之可以对月球表面下大约1米的深处进行探测，提取固体样品后对其进行加热，希望能产生液态水。 威廉·拉尔森认为我们的主要任务是对月球冰进行勘探，是否能寻找到水资源依然是个未知数，此外，科学家还试图从月球土壤样本中提取氧气。如果月球探水计划获得成功，甚至可以建造月球“淡水厂”，将永久阴影区的冰冻水提取并供给月球基地或地月系的轨道空间站。 美国宇航局LCROSS探测器对月球南极附近的撞击坑探测发现，其中存在大约5%的冰冻水，但是月球水资源起源于何处，仍然是个迷。有研究提出月球极区永久阴影区内的冰冻水来源于彗星和小行星，加州大学洛杉矶分科学家戴维·佩奇认为月球极区异常地寒冷，我们可通过发射探测器不断寻找月球水资源与矿物质的分布。 月球的地心引力仅为地球的1/6，这意味着月球火山熔岩的流动阻力，较地球更小，熔岩行进更为流畅。这就可以解释，为什么月球阴暗区的表面大都平坦而光滑。同时，流畅的熔岩流很容易扩散开，因而形成巨大的玄武岩平原。此外，地心引力小，使得喷发出的火山灰碎片能够落得更远。因此，月球火山的喷发，只形成了宽阔平坦的熔岩平原，而非类似地球形态的火山锥。这也是月球上没有发现大型火山的原因之一。 月球上没有溶解的水。月球阴暗区是完全干涸的。而水在地球熔岩中是最常见的气体，是激起地球火山强烈喷发的重要因素之一。因此，科学家认为缺乏水分，也对月球火山活动产生巨大影响。具体的说，没有水，月球火山的喷发就不会那么强烈，熔岩或许仅仅是平静流畅地涌到地面上。 矿产资源 45亿年前，月球表面仍然是液体岩浆海洋。科学家认为组成月球的矿物克里普矿物(KREEP)展现了岩浆海洋留下的化学线索。KREEP实际上是科学家称为“不兼容元素”的合成物－－那些无法进入晶体结构的物质被留下，并浮到岩浆的表面。对研究人员来说，KREEP是个方便的线索，说明了月壳的火山运动历史，并可推测彗星或其他天体撞击的频率和时间。 月壳由多种主要元素组成，包括：铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝及氢。当受到宇宙射线轰击时，每种元素会发射特定的伽玛辐射。有些元素，例如：铀、钍和钾，本身已具放射性，因此能自行发射伽玛射线。但无论成因为何，每种元素发出的伽玛射线均不相同，每种均有独特的谱线特征，而且可用光谱仪测量。人类仍未对月球元素的丰度作出面性的测量。现时太空船的测量只限于月面一部分。 月球有丰富的矿藏，据介绍，月球上稀有金属的储藏量比地球还多。月球上的岩石主要有三种类型，第一种是富含铁、钛的月海玄武岩；第二种是斜长岩，富含钾、稀土和磷等，主要分布在月球高地；第三种主要是由0.1～1毫米的岩屑颗粒组成的角砾岩。月球岩石中含有地球中全部元素和60种左右的矿物，其中6种矿物是地球没有的。 月球的矿产资源极为丰富，地球上最常见的17种元素，在月球上比比皆是。以铁为例，仅月面表层5厘米厚的沙土就含有上亿吨铁，而整个月球表面平均有10米厚的沙土。月球土壤中还含有丰富的氦3，利用氘和氦3进行的氦聚变可作为核电站的能源，这种聚变不产生中子，安全无污染，是容易控制的核聚变，不仅可用于地面核电站，而且特别适合宇宙航行。据悉，月球土壤中氦3的含量估计为715000吨。从月球土壤中每提取一吨氦3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。从分析看，由于月球的氦3蕴藏量大，对于未来能源比较紧缺的地球来说，无疑是雪中送炭。许多航天大国已将获取氦3作为开发月球的重要目标之一。 月球表面分布着22个主要的月海，除东海、莫斯科海和智海位于月球的背面（背向地球的一面）外，其他19个月海都分布在月球的正面（面向地球的一面）。在这些月海中存在着大量的月海玄武岩，22个海中所填充的玄武岩体积约1010千米，而月海玄武岩中蕴藏着丰富的钛、铁等资源。若假设月海玄武岩中钛铁矿含量为8%，或者说二氧化钛含量为4.2%，则月海玄武岩中钛铁矿的总资源量约为1.3×101～1.9×101吨，尽管这种估算带着很大的推测性与不确定性，但可以肯定的是月海玄武岩中丰富的钛铁矿是未来月球可供开发利用的最重要的矿产资源之一。 克里普岩是月球高地三大岩石类型之一，因富含钾、稀土元素和磷而得名。克里普岩在月球上分布很广泛。富含钍和铀元素的风爆洋区的克里普岩被后期月海玄武岩所覆盖，克里普岩混合并形成高灶和铀物质，其厚度估计有10～20千米。风暴洋区克里普岩中的稀土元素总资源量约为225亿至450亿吨。克里普岩中所蕴藏的丰富的钍、轴也是未来人类开发利用月球资源的重要矿产资源之一。 此外，月球还蕴藏有丰富的铬、镍、钠、镁、硅、铜等金属矿产资源。