月球正面和背面的二分性之谜

每当月圆之夜，我们常常能够欣赏到明亮美丽的月亮，但却鲜少有人能够察觉它隐藏着一个神秘而引人入胜的谜团——我们肉眼看到的月球正面和看不到的背面有着截然不同的特征。随着航天技术的不断进步，我们有机会逐渐洞悉这个神秘的双重面貌，而它所带来的新发现也将深刻影响我们对月球与行星的认识和理解。请随我一同踏上这场揭秘之旅，深入了解月球正面和背面的不同之处，并尝试解开这个神奇的谜团背后隐藏的奥秘。

月球的“二分性”现象

月球是地球唯一的天然卫星。由于潮汐锁定的效应，月球的自转周期与绕地公转周期保持一致，使得地球上始终只能看到月球近地一侧。然而，由于月球天平动现象，人们可以看到59%的月球表面。这部分可见的一侧被称为月球正面（Lunar nearside），而看不到的另一侧被称为月球背面（Lunar farside）。1959年苏联发射的Luna 3号月球探测器成功拍摄到了月球背面的第一张照片，人类开始真正认识月球背面的样貌。从这张模糊的照片中，人们意识到月球背面与想象中的有所不同，与月球正面不太一样。

图1. Luna 3拍摄到的月球背面第一张照片

在接下来的几十年里，人类通过多次探测任务陆续获取了月球背面越来越清晰的地形和影像。特别是自2007年以来，我国成功发射了嫦娥一号和嫦娥二号月球环绕探测器，获取了覆盖全月表的分辨率为120m和7m的立体影像。这些高分辨率影像进一步加深了人类对全月球表面形貌的认识。此外，通过使用特定的科学仪器（如矿物光谱仪等），还获取了月球表面的矿物成分数据。基于这些数据的解译与分析，研究者们发现，月球正面和背面在表面的地形地貌、元素分布和地质单元特征等方面均存在着巨大的差异。科学家们对此现象非常感兴趣，并认为它可能与月球的形成与演化历史密切相关。鉴于对造成这种差异原因的重要性关注，科学家们将月球正面和背面的差异性称为“二分性”现象，并被列为是探索月球奥秘的几个最为关键的科学问题之一。

月球正面和背面的差异性

从月球正面和背面的影像图和地形晕渲图可以看出月球正面和背面在地貌、地形等方面存在巨大差异（如图2）。月球影像图显示月球表面可被划分为暗色玄武岩区域（月海）和亮色的高地区域（高地）。利用Nelson（2014）等人标绘的月海边界进行统计，月球正面月海所占面积比例超过30%，而在月球背面这一比例不到3%，存在数量级的差异。月球地形晕渲图显示月球正面地势较为低洼平坦（蓝色区域），月球背面则起伏较大，地势较高（黄色区域）；而且相对于月球正面，月球背面的表面地貌更加粗糙，而且从月球背面的大部分区域，可以分辨出更多更密的环形坑，这意味着这些区域经历了更长的撞击历史，所对应地表单元的年龄更为古老。

图2. 月球正面和背面的影像图（上）和地形晕渲图（下），由地面应用系统利用嫦娥月球影像和地形数据制作。

不仅如此，月球正面和背面的元素含量也存在着巨大的差异，如图3展示了月球正面和背面的钍（Th）元素和钛（Ti）元素含量分布情况。这两种元素的分布图中可看出，Th元素和Ti元素均在月球正面的月海玄武岩区域较为富集，而在月球背面仅集中在南极-艾特肯盆地（SPA，South Pole-Aitken Basin）中有少量分布。Th（钍）是一种放射性元素，它通常与破裂岩、火山活动或热液系统相关联。月球上的高放射性岩石，如KREEP岩石（K: 钾，REE: 稀土元素，P: 磷）和蓝色斑岩（Blue Spots），富含钍（Th）元素。钛（Ti）是一种常见的地壳元素，可与其他岩石形成矿物或合金。在月球上，钛通常与铁结合形成钛铁矿。这些岩石的形成和富含钍/钛的特性与月球的地质历史和构造演化密切相关。月球正面月海区域的钍/钛富集可能暗示着月球正面的火山活动比背面更为活跃和频繁。

图3. 月球正面和背面Th元素（上）和Ti元素（下）分布图，图中红色线条范围为正面月海区域，白色虚线区域为SPA区域，图片来源参考文献[3]

Th元素和Ti元素在月球背面整体分布稀少，却在SPA盆地集中分布，表明SPA盆地地壳的组成可能与其他月背区域不同。SPA盆地是月球上最大、最古老的撞击盆地之一，它的形成可能引发了地壳深层物质的上升和重新分布，从而导致了Th元素和Ti元素的富集。当然还需要进一步的科学研究来详细探索这些元素分布的原因和意义。

关于二分性成因的多种科学猜测

月球正面和背面之间存在如此巨大差异，科学家们提出了多种假说来解释这一现象。

观点1：有科学家认为，在月球形成初期，月球表面处于岩浆洋状态，随着岩浆洋的冷却，斜长质等物质开始结晶，并逐渐漂浮到岩浆表面形成月壳层。当月球被地球潮汐锁定时，靠近地球一侧受到较高温度的照射，而另一侧温度较低。这种温差导致大规模环流，在月球正面和背面之间不断输送结晶的月壳物质。随着时间的推移，月球背面的月壳层累积比正面厚10公里以上。在大撞击时期，月球正面出现了许多巨大的盆地，如雨海、澄海等，这些区域的月壳非常薄。再之后，残留岩浆中富集的热元素引发了岩浆活动和喷发，月球正面的薄弱月壳区域成为岩浆喷发的主要出口，逐渐形成了现在的玄武岩分布的月海。然而，月球背面的月壳较厚，岩浆难以喷发到表面，因此绝大部分区域仍由古老的月壳所覆盖。

图4. 倾斜对流示意图，月球早期岩浆洋表层斜长岩结晶后通过环流从正面被传送到月球背面，图片来源参考文献[4]

观点2：科学家们通过对月球内部研究提出了新的猜测，通过重力测量等方法发现，月核的位置相对于地球稍微偏移了约2公里。据此，有人认为这种不对称分布可能是由于原始月球岩浆洋中金属不均匀富集所导致。据此推测，岩浆洋的较深侧（即月球背面）首先结晶，从而使斜长质的月壳更早地在月球背面形成并聚集。因此，月球背面的月壳较厚，而月球正面月壳下将残留更多含有KREEP的岩浆，进而导致后期玄武岩的大规模喷发并形成更多分布于月海区域的玄武岩。这个观点来源于WASSON& WARREN于1980年的研究。

图5. 月核位置偏移示意图，右侧为月球正面，图片来源参考文献[7]

观点3：最新的一些研究认为，月球背面的巨大撞击盆地——SPA对月球的二分性起到了重大作用。SPA直径2500公里，深约13公里，是月球表面最大的撞击盆地。在其形成时，巨大的撞击事件导致了月球全球范围内的月幔热对流现象，从而使富含KREEP的钛铁矿堆积体物质向月球正面流动并在风暴洋区域积聚。这些含有高热元素的KREEP物质导致月球正面后续喷发了大量的玄武岩，形成了我们所见的暗黑月海中的玄武岩物质。

图6. SPA大撞击导致物质对流示意，图片来源参考文献[3]

此外，还有学者提出了地球潮汐作用引起月球二分性的假说。由于在地月系早期形成时，月球离地球比较近，因此地球对月球正面的潮汐加热作用比对月球背面强10%~20%。这导致月球正面岩浆洋的结晶速度较慢，而月球背面则结晶较快，形成了更厚的斜长质月壳。不过，该理论需要进一步观测数据的支持，并且要求月球与地球的距离非常接近，并持续足够长的时间。

破解月球二分性谜题，月背采样成关键

目前对月球二分性的研究，主要依赖于遥感探测数据和数值模拟。然而，最关键的问题在于确定月球背面特别是玄武岩物质与正面成分的异同。因此，迫切需要对比分析月球正面和背面的玄武岩样品，以确立它们之间的关系及异同。

如果能够确定月球背面玄武岩的成分几乎与正面一致，那么可以表明月球早期岩浆洋中物质成分是全球均一的，与上文中观点1和观点2的推测相符。这将倾向于月球背面更厚的斜长岩月壳阻止了玄武岩的喷发，进而需要解释月球背面月壳更厚的机制。另一方面，如果月球背面玄武岩与正面存在较大的成分差异，如KREEP含量明显更少，就需考虑月球背面SPA等大撞击事件是否改变了物质成分，或者撞击之前源物质成分就存在差异。若撞击前源物质成分相同，则SPA撞击可能导致生热元素物质向正面流动，与观点3的推测较为符合；若撞击前成分已不同，则应考虑月核位置和岩浆洋物质的不均一分布导致二分性，较为符合观点2的推测。解决这些问题的关键即在于从月球背面关键区域进行采样，通过对月球正面、背面样品的联合研究来解答这些疑问。

近几十年以来，通过阿波罗系列任务、Luna系列任务和嫦娥系列任务，人类从月球采回了数百公斤样品（采样位置如图7所示）。然而，目前所有的月球样品都是从月球正面采回的，没有到月球背面采样。2019年1月3日，嫦娥四号任务着陆在月球背面南极艾特肯盆地（South Pole Aitken Basin，SPA）的冯卡门环形坑，探测到了月球背面深部物质初露的初步证据，曾引起了国际上月球探测领域的重大关注，加深了人类对月球背面物质特性的认识。但要更深入地了解月球正面、背面特征及其区别，破解月球正面、背面的二分性之谜，最直接地、一手的月球背面样品同样必不可少。因此，在国际月球探测领域，对月球背面采样的呼声也越来越大。如今，在我国持续开展月球探测任务之际，后续的月球探测任务（如嫦娥六号）计划从月球背面采回月球样品。

图7. 已有的月球采样任务在月球表面采样位置分布图

嫦娥六号计划将前往月球背面SPA盆地的Apollo坑西南平坦地形区域进行采样。该区域有望获取关于SPA撞击事件、月球背面深部以及月球背面玄武岩物质的样品。利用这些样品进行研究分析，有助于更深入地了解SPA撞击事件，同时，若能采集到月球背面的月球玄武岩样品并与月球正面样品进行物质成分对比分析，则可能为解开月球二分性之谜提供更可靠的证据。

图8. 嫦娥六号月球背面候选着陆区位置、地形地貌、及地质定年结果a) 嫦娥六号月球背面候选着陆区位置，上方为北边，b)嫦娥六号月球别面候选着陆区周围形貌，上方为北边；c)嫦娥六号月球背面候选着陆区定年结果，左方为北边。图片来源参考文献[10]

结束语

在嫦娥五号从月球正面风暴洋区域带回约2Ga的年轻月球样品之后，即将于2024年开展的嫦娥六号任务计划从月球背面古老SPA盆地中的阿波罗环形坑西南部地区进行采样，对嫦娥六号预选着陆区的地形地貌、地质单元、矿物光谱解译分析表明，嫦娥六号最可能获取到以下信息：1）月球背面SPA盆地中的月海玄武岩样品（约2.40 Ga，或约3.43 Ga）；2）以溅射物为代表的月球深部物质（Mg-Pyx为主的noritic物质）3）一种新的未知的火山表面改造物质。嫦娥六号如果获取了月球背面玄武岩样品或SPA撞击溅射物，这对于解开月球正面和背面的二分性等科学谜团将起到重大推动作用，让我们一起期待吧。

作者：曾兴国

高兴烨

《参考链接》

[1] Jolliff B. L., et al., New views of the Moon. Vol. 60. (Mineralogical Society of America,Chantilly VA,2006), pp.1-17.

[2] D. M. Nelson et al., Mapping Lunar Maria Extents and Lobate Scarps Using LROC Image Products 45th Lunar and Planetary Science Conference, Abstract #2861 (2014)

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[6] Wasson, J . T. & Warren, P. H. Contribution of the Mantle to the Lunar Asymmetry, Lunar planet. & i. 11, Abstr., 1220 (1980).

[7] Stevensen D J, Lunar asymmetry and palaeomagnetism, Nature, 287, (1980)

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[9] Quillena et al, Near/Far Side Asymmetry in the Tidally Heated Moon ,Icarus, 329: 182–196 (2019). doi:10.1016/j.icarus.2019.04.010,

[10] Zeng, X., Liu, D., Chen, Y. et al. Landing site of the Chang’e-6 lunar farside sample return mission from the Apollo basin. Nat Astron (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-02038-1.

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来源：中国科学院国家天文台

编辑：阿泊