圣彼得堡大学和莫斯科国立民航技术大学的科学家们开发了一种研究月球土壤的新方法,使得更高效地研究远距离岩石成分成为可能。该方法的基础可追溯至苏联时代开启的工作,已“束之高阁”近四十年。相关工作的学术论文发表在国际著名的《Planetary and Space Science》杂志上。

Planetary and Space Science

遥感研究月壤的方法已经存在了几十年。它们被称为被动方法——伽马光谱法、中子光谱法和 X 射线荧光法。上述方法都是基于从人造卫星轨道对月球表面岩石的自然激发辐射进行研究。尽管现存的方法帮助我们在月球岩石研究中取得了巨大的成功,但它们都有某些缺点。

科学家们认为被动遥感方法的主要缺点是,来自月球岩石的特征辐射的自然辐射强度低。

人们无法增加强度,更不用对这些辐射流进行控制。改进这些方法也极其困难:既不能增强所得结果,即岩石构成图的空间分辨率,也不能增加所确定元素的数量,也不能提高其含量测定的准确性。例如,最流行的 X 射线荧光方法取决于太阳耀斑,太阳耀斑持续时间很短,而且只能提前三天进行预测。

原则上来说,只有转而使用远程主动元素分析方法,才可以遇见新的机遇,这种方法是基于对表层岩石使用人工激发的岩石生产元素辐射光谱法。

——文章作者,圣大数学力学系物理力学教研室教授,物理数学科学博士叶甫盖尼·科列斯尼科夫(Евгений Колесников)

这位科学家与他的研究小组朝着这个方向进行了各种研究,最终的研究成果是与莫斯科国立民航技术大学电气工程和航空电气设备系副教授,物理数学科学副博士亚历山大·泽连斯基(Александр Зеленский)(曾是圣大物理力学系毕业生和博士研究生)共同完成的。“目前,由于月球研究活动的急剧升温,我们进行的研究再次变得热门。现在除俄罗斯和美国外,欧洲、中国、印度和日本也加入了月球研究。与过去一样,当代研究中的一个重要领域是对月球表面岩石元素组成的研究,”亚历山大·泽连斯基说道。

由圣彼得堡国立大学和莫斯科国立民航技术大学的科学家们开发的方法基于月球岩石 X 射线辐射的光谱测定法。研究人员提出使用电子束在月壤表层中人为激发辐射:一套特殊设备会产生一束电子束,并将其引导至月球表面上我们感兴趣的区域,然后分析 X 射线的辐射确定该区域岩石的元素组成。作为结果,可以快速生成月球表面岩石成分的详细地图。整个过程将须在绕月球轨道的航天器上进行,其与月球表面相对高度应为 40 公里以上。

如何选择最优的特征辐射类型及其激发方法,由系统参数的必要要求决定:需要从相当客观的距离上测定月球岩石中科学家感兴趣的元素含量,与此同时还可以保持在月球轨道上。

科学家们开发的方法可以满足所有上述要求。

“与其他用于远程元素分析的主动系统(例如使用中性氢原子束的系统)相比,我们提出的系统的主要优点是探测电子束的能量相对较低:从几十 keV (对于元素周期表开头的元素)到数百 keV(对于元素周期表中间的元素)。此外,X 射线辐射激发较大的剖面数值使得在相对较低的探测束电流水平下,就可以在系统载体的轨道上产生月球岩石元素的特征 X 射线辐射流。这种强度足以在与 X 射线辐射同时激发的电子束的致辐射背景下,以及有自然源 X 射线的背景通量下进行可靠的记录。” 叶甫盖尼·科列斯尼科夫解释说。

借助科学家们开发的方法,有可能针对较轻的(镁、铝、硅)和较重的(钙、钛、铁)岩石元素编制更详细,更准确的月球表面岩石图,确定地形与元素成分间的关系,以及科学界感兴趣的月球表面各区域的岩石成分。

对月球表面进行更有效的研究,不仅是为了丰富我们对月球表面属性的知识,而且从长远来看,还是为了在月球上立足并对其进行工业发开。

值得一提的是,在半个多世纪前,俄罗斯科学界便开始探究从月球轨道远程研究月球土壤的可能性。在 1960 年代至 70 年代,苏联和美国都在该领域取得了成功突破。在苏联,列宁格勒国立大学数学力学科学研究所在原理开发方面发挥了重要作用,该原理为建造有前景的月球遥感系统奠定了基础。但在 1980 年代,登月计划被暂停,该领域的许多创举仍停留在字面上,然后被送入了档案馆。

如今,月球表面研究方法的改进再次变得重要起来。不仅俄罗斯和美国,许多其他国家也在研究地球的这颗卫星。正如叶甫盖尼·科列斯尼科夫所指出的,1970 年代和 80 年代的方案与圣大、莫斯科国立民航技术大学当下所提出的方案在思想上并无不同。“可以说,我们的新案例——其实是被人们遗忘的旧事物。这项研究基于圣大数学力学科学研究所物理力学实验室的长期工作成果,其中包括我与数学力学科学研究所高级研究员库雷舍夫共同撰写的 1982 年归档入全苏科技情报研究所的论文手稿。在这篇论文中,我们首次证明了这种方法可以在实践中使用”, 叶甫盖尼·科列斯尼科夫说道。