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探月工程与北大地空 | 从地球到月球，探月“挖土”怎么走？
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关键词：北大地空
2020年11月24日4时30分，中国在中国文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，顺利将探测器送入预定轨道。
2020年11月28日20时58分，在距月面约400公里处成功实施3000牛发动机点火，约17分钟后，发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断，嫦娥五号探测器近月制动正常，顺利进入环月轨道。
2020年12月1日23点13分左右，嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面预选着陆区。成功着陆后，着陆器在地面控制下，将正式开始持续约2天的月面工作。
嫦娥5号探测器成功落月
（图片来源：新华社）
嫦娥五号自发射以来，受到了社会各界的关注。北京大学地球与空间科学学院与探月工程密不可分，我们特别邀请到遥感与地理信息系统研究所法文哲和空间物理与应用技术研究所焦维新两位老师来进行讲解。
01
探月工程的“绕落回”
我国的探月工程分为一、二、三期，第一期是绕，二期是落，三期是回，就是我们经常说的“绕落回”。嫦娥一、二号实现了“绕”的目标，嫦娥三、四号实现了“落”的目标，嫦娥五、六号将要实现“回”的目标。
嫦娥五号在月面上的情形（艺术图）
（图片来源：腾讯新闻）
北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所
法文哲
“绕”就是发射一个绕月卫星，用遥感的手段对月球进行观测。探月卫星搭载多种科学载荷（激光高度计、CCD相机、光谱仪、微波辐射计等），进行一段时间观测之后，可获得月表的地形地貌、高程、各种元素与矿物成分等信息。
月球表面在短时间范围内（如几年）变化不大，在观测一遍之后，继续绕月观测的价值不大。要进行更进一步的精细化高分辨率观测，就需要在月面进行直接测量，这就是从“绕”变成“落”的一个原因。
“落”就是发射着陆器和巡视器，落在月表。例如嫦娥3号有一个月球车，“玉兔”一号月球车在雨海的北部着陆，对着陆区进行巡视探测。巡视探测获取的图像分辨率很高，除此之外，我们还可以在月表上布置一些仪器，直接在月球上进行测量。
但是从研究的角度来讲，我们放一个着陆器到月亮，我们还是不能准确地了解月表的物理特性与化学成分，以及月表一些其他性质。这就需要样品为我们提供月表真值（ground truth），嫦娥5号就是要取样返回的。
“回”就是在“落”的基础上，从月表采样返回地球。样品返回之后，我们就有了真正的月球的土壤样品。从遥感的角度来说，月壤样品和巡视探测获得的信息是互补的，我们可以把月壤样品和遥感结合起来，可以获得更多对月球的认识。
02
嫦娥五号的科研意义
北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所
焦维新
如果嫦娥五号的任务圆满完成，带回的月壤样本帮助我们深入研究太阳风与月球的相互作用、月球水和矿物分布、月球与地球磁层的相互作用、月球内部结构、近月空间环境、月球大气分布、月球重力分布、氦3测量技术等问题。
北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所
法文哲
嫦娥五号有一个优势是采样区域的选择，预选着陆区地质年龄非常年轻。
目前，美国Apollo和苏联Luna所获得的样品中，没有年龄在10亿年到30亿年之间的月壤样品。
我们可以对采集样品进行同位素定年，获得着陆区年龄，并与着陆区撞击坑密度进行比较，可以更新目前基于撞击坑定年方法。如果可以填补中间20亿年月球样品的空缺，这将对撞击坑定年与行星地质研究产生根本性变革。除此之外，我们还可以测量月壤中金属、稀有气体等资源的含量，这些是未来建立月球基地所需的资源。
上图为嫦娥五号在月球着陆
下图为降落相机下的月表
（图片来源：腾讯新闻）
03
探月计划的“前”与“后”
每个探月计划大体可以划分成前期工程任务和后期科学研究工作。前期主要是工程的事情，例如火箭发射、科学载荷的研制、地面数据应用系统的建立。后期的工作就是获得遥感数据，采集样品之后，如何来得到一些科学发现与新认识，对月球有什么样的新认识。
北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所
法文哲
前期工作的话，我个人来说是从嫦娥3号开始，参与得要多一些。例如嫦娥4号在发射之前有一个科学目标可实现性的评估，我是专家组的成员。每个科学载荷在设计时都有一个科学目标，我们主要通过地面科学验证实验的结果来判断这些载荷能不能在月表完成预定的科学目标。
后期工作是我们最主要参与的工作，从嫦娥一号开始就一直在参与。嫦娥一号搭载了一个微波辐射计，我们处理了微波辐射计的数据，获得了月表辐射亮度温度图，进行了月壤厚度方面的反演研究，并定量估算了月壤中氦三资源的含量。
关于嫦娥5号的后期工作主要是等到样品采集回来之后，我们可以测量月壤的介电常数，可以由这些数据得到更加准确的月球次表层层序结构，然后再结合着陆区的地质背景做着陆区形成与演化分析。
04
探月工程与地空学院
探月工程是一个庞大的系统工程，完成这个巨大工程需要各个部分的相互协调配合。地空学院的专业知识是完成探月工程不可或缺的部分，起着至关重要的作用。
北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所
焦维新
其实从我们地空学院的专业设置来讲，本科生的专业都和探月工程有非常密切的联系。分析月壤的成分、月表的矿物成分、地质演变这些工作是和我们地质专业和地球化学专业密切相关的；月球表面磁场、月球内部结构的测量是和地球物理专业相关的；空间物理和遥感方面的应用我们之前也介绍过了。
北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所
法文哲
我觉得就整个北大来讲，地空学院的专业和我们国家深空探测项目的联系是最为紧密的。在整个中国，跟深空探测相关的专业，我们地空学院的专业设置应该是最全的。
以遥感专业为例，林沂老师做的激光高度计研究，可以得到月球的高程数据；范闻捷老师在地球做植被遥感的双向反射率理论也可以应用到月球上来，得到月表的反射率，可进一步获得月表化学成分。
从地理信息角度来讲，数字月球这些项目其实都是跟我们地理信息专业联系在一起的。
像空间物理专业，宗秋刚和何建森老师有在做月表的中子探测、中性原子辐射器等方面的工作。
在月球表面，我们可以通过布置一些地球物理仪器，来测月球内部结构、月球表面温度和月球表面磁场，这些都是属于固体地球物理专业的研究内容。
最后等到嫦娥5号样品取回来之后，对月壤样品的分析与研究，则属于我们学院地质专业的研究领域。
05
展望
北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所
焦维新
可以说，中国的探月工程发展到今天这个程度，离不开前期的规划和后期的努力，我们地空学院的很多学者也都参与了探月工程的前期论证以及后续科学目标的实现。
嫦娥五号已经发射了，接下来不久就要发射嫦娥六号了。嫦娥六号预计是在月球的极区着陆，其他所有国家都没有在月球的极区着陆过，如果成功的话是一定可以做出创新的成果的。接下来还会有嫦娥七号和嫦娥八号，在“绕落回”的规划完成之后，可能会考虑极区空间环境等进一步的研究。
此外，我国的载人登月计划也在筹备当中了，我们已经提出了未来载人登月的五个新理念，将来可能会以这些理念为方向发展。
长征五号遥五运载火箭成功发射嫦娥五号探测器
（图片来源：看点快报）
北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所
法文哲
嫦娥5号的发射，我觉得对我来说虽然比较激动，但是没有特别激动。因为嫦娥五号的发射是中国的“绕落回”一部分，从我国探月工程整体来看，前面能做的事情做完了，遥感探测看了，月表巡视也做了，那么接下来必然是样品带回来，这是一个水到渠成的过程。我有幸从研究生一开始就见证了我国嫦娥一号的立项，到现在作为研究骨干参与了我国月球探测工程，很是荣幸。
来源 |“北大地空”公众号
文字汇编 |朱俊锴
排版 | 栾天翔
后期|杨茗康
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