我们可以用一个在月球上的人类基地做一些惊人的科学
从天体生物学到地质学，一个月球基地可以用作为一个不像任何在地球上东西的实验室。
HARD SCIENCE — NOVEMBER 16, 2022
Dirk Schulze-Makuch

月球基地。Credit: 3000ad / Adobe Stock
关键要点
一个基于月球的研究可以提供在地球上是困难的或不可能来获得的科学洞察。一系列特别有趣的研究可以确定是否月球上从来存在过生命。除了研究，一个月球基地将是将人类活动扩展到火星的一个有意义的中间步骤。
最近在苏格兰爱丁堡举行的来考虑“形成和探索宜居的世界”会议上，伯克贝克学院（英国）的伊恩•克劳福德为一个雄心勃勃的项目做出了一个案例，乍一看似乎在行星科学的范围外。克劳福德说，我们需要一个建立在月球上的人类基地。这样一个前哨站不仅将提供可比较到我们已经在南极洲的研究基础设施，而且它将是一个将人类活动扩展到火星的明智的中间步骤。
在月球上更好的科学
一个在月球上的实验室的主要重点将是来研究月球地质学并清点凡是月球提供资源的。其中最有价值的可能是氦-3，它可以用作为未来（相对）安全的核聚变能量的燃料，因为它本身不是放射性的，也不会造成周围的物质变成放射性的。数十亿年以来氦-3已经被太阳风植入月球土壤，甚至最近已经在被由中国嫦娥5号使命收集的一个月球矿物样本中返回地球。
月球的表面也将是天文学的一个伟大平台，特别是从背面的射电天文观测，它将被保护免受来自地球的无线电干扰。从月球望远镜观测的分辨率和清晰度将远比地球上任何可以取得的更好。
从一个月球基地，宇航员可以寻找数十亿年来已经被印在月球岩石记录中的古代天体物理事件的证据。因为月球没有大气层，没有磁场，这些证据应该被很好保存。月球岩石记录可能给我们关于暴力事件的新信息------包括超新星爆炸或小行星撞击------这些事件可能已经造成了地球上过去的大规模灭绝。一直有发生在大约40亿年前的所谓的晚期重型轰炸消毒了几乎消毒了早期地球表面的提议，这意味着它将急剧的影响了我们地球的自然历史。更最近的研究已经在是否这一事件是那么严重上投下怀疑。在月球上，我们可能能够找出。
克劳福德指出，我们应该能够发现起源于地球围绕月球表面散落的岩石。古老的已经没有要么被侵蚀改变要么被板块构造循环的岩石在我们充满活力的星球上的岩石是难来的。在月球上，它们可能是更丰富的，已经被小行星撞击吹掉的地球表面。
甚至更令人兴奋的会是来发现在月球陨石坑底部永年陷落在冰中的早期陆地生命或原始生命的痕迹。天体生物学家仍然没有弄清楚到底生命怎样在地球上起源的，也不知道那些最初的生物可能已经怎样看了和运作的。月球很可能是唯一一个在那里我们能找到更多关于往往被指为生命的最后的普遍共同祖先（LUCA）的。在地球上，任何生命的最后的普遍共同祖先的痕迹都早已消失了。
月球实验室的科学家们将有大量的天体生物学研究来保持他们忙碌。他们可以检查在月球上的六个阿波罗着陆器和其他遗迹飞船，包括许多已经坠毁到月球表面上的飞船来分析是否它们可能已经携带的微生物仍然活着，即便只是处于一个可能允许它们被复活的休眠阶段中。或者，如果没有发现这样的微生物，我们可能仍然会发现它们留下的有机分子的痕迹。这些微生物如何在恶劣的月球辐射中随时间衰变的？这可以帮助我们了解在另一个高辐射环境中我们可能会发现什么样的生命残余，像火星表面。
月亮是适合居住的吗？
另一个可能的研究领域也许有点更推测性的：克劳福德和我几年前写了一篇论文，提出早期月球可能一直处于一个地质学上短时间内适宜居住的边缘上。许多广阔的月球熔岩平原，这是大约35亿年前被创造的我们用肉眼看到为黑斑的。在这段时间里，大量的火山喷发会已经发生，这可能已经建立起了实在的像地球的一样的1%的大气层------比目前火星上的大气层更大，并且有足够的大气压力来保持液态水在月球表面上几百万年。
更新的研究比如最近在月球上广泛发现的赤铁矿可能支持这一假设。在地球上，赤铁矿通常当含铁的岩石经历风化并被暴露到水时形成。我们知道微生物生命已经在35亿年前就存在于地球上，它可能已经被小行星撞击转移到了月球，在那里微生物会已经发现一个可居住的环境（即水的），至少一段时间。月球基地的科学家和宇航员可以通过搜索夹在古代熔岩流之间的地质层中富含水的矿物验证我们的假设，这可能是在过去的一段时间里当月球可能适合居住时靠近地表的水的证据。
也许所有中最大的奖品会是在月球上发现外星人文物，在我们的太阳系绕银河系中心运行要用大约2亿年的时间里古代技术文明的碎片可能已经被沉积在月球上。或者一个先进的外星人文明可能已经在那里建立一个监测站来观察我们。(我们难道不会在一个遥远的我们已经探测到一个生物圈的系外行星上做同样的事情吗？这是一种值得调查的可能性) 。
在月球上建立一个研究前哨站的好消息是我们不必担心踩踏掉现有的月球生命形式。火星有许多这样的行星保护关注，因为生命可能仍然存在于生态居所中如盐岩、熔岩管洞穴、热液活动区和深层地下。这不是月球上的一个问题。
即便月球研究最终没有揭示地月系统之外的生命，它也可能通过为未来提供清洁能源帮助我们生存。这本身应该给我们足够的动机来在月球上建立一个前哨站。
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【太空请回答】#极光的绚丽色彩从何而来# ?小小粒子有贡献

美国女航天员克里斯蒂娜·H·科赫(Christina H. Koch)是单次在太空滞留时间最长的女性。她在社交媒体公布的一张照片受到颇多关注——在国际空间站上拍摄的星轨照片。 这并非克里斯蒂娜·H·科赫第一次公布在空间站创作的摄影作品。今年6月，她在国际空间站拍摄的极光照片也吸粉无数。

极光通常出现在地球南北两极附近地区夜间的高空中。它自古就因为绚丽多彩而被留意、观察和记录。克里斯蒂娜·H·科赫拍摄的极光照片呈现出绿色的光芒。人们也曾观测到红色、蓝色等其他颜色的极光，甚至同时夹杂不同的颜色。

那么，极光为什么会有不同的颜色?不同的颜色背后又是什么不同的物理过程?

高空微观粒子的能量跃迁游戏

通常认为，极光是太空(太阳风或地球磁层)中的高能带电粒子进入极区附近的高层大气引发的自然现象。它因为集中出现在两极附近被称为极光。出现在南极的被称为南极光，出现在北极的被称为北极光。极光常常呈带状、弧状、幕状、放射状。这些形状有时稳定，有时连续在变化。

近代的量子力学认为，微观粒子的能量常常是一份一份的，也就是“量子”，而不是连续变化的。按照量子力学基本原理，分子按其内部运动状态的不同，可处于不同的能态，每一能态具有一定的能量。能量最低的态称为基态，能量高于基态的称为激发态。它们构成分子内部的各能级，高能量的激发态可跃迁到较低的能态，能量较低的能态也可吸收一定的能量跃迁到能量较高的激发态。电子激发态与基态之间出现跃迁，就会有吸收或发射特定波长的光，产生分子的电子光谱，分别对应着吸收光谱和发射光谱。

一言以蔽之，分子(也包括原子等)可以吸收或发射特定波长的光来改变能量状态。我们地球的大气，越往高空越稀薄，高空的分子、原子等吸收能量和释放能量的过程可以发光，就会产生极光。而光的颜色与光波长有关，故而极光的颜色会与这种过程有关。

绿色为最常见极光颜色

绿色的极光最为常见，但极光的颜色并不是只有绿色。

这就涉及到大气的电离和复合过程。在太阳紫外线、宇宙射线等的作用下，有些空气分子因失去电子而带正电，成为正离子;有些分子获得电子而带负电，成为负离子。这种中性大气分子获得电荷的过程，称为大气电离。这些离子、电子等带电粒子又可能在碰撞后重新变成中性，这种过程叫做复合。

随着海拔高度增高，大气逐渐稀薄，甚至不同成分分离，出现以氧分子(O2)甚至氧原子(O)、氮氧化物分子(NO)为主的高度。再通过这些电离等过程，出现一些带电粒子，包括氧离子(O+)、羟基自由基(OH-)等。

在最高海拔处，以原子氧为主，受激发的原子氧(O)跃迁时常发射波长为630纳米的光，呈现红色，极光的颜色就会呈现出红色。由于原子氧浓度很低，而人眼对这个波长的光的灵敏度低，所以只有在太阳活动很强烈的时期，才能看到红色的极光。

当海拔高度较低时，粒子碰撞频繁，抑制了形成红光的过程，受激发的分子氮(N2)通过碰撞将能量传递给氧原子(O)，此时微观粒子的跃迁会发射波长为555.7纳米的光，极光主要呈现出绿色。

而当在这种情况下微观粒子跃迁较为平缓时，发射出的光波长仅为428纳米，呈现出的就是蓝色。

更为罕见的粉红色或黄色的极光是由绿光和红光的过程按一定比例混合，共同作用而成。

由于红色、绿色和蓝色是颜色加性合成的主要颜色，所以上述这些过程结合之后，理论上有可能出现几乎任何颜色的极光。不过以上几个颜色是主要的。

另外，极光也包含红外线和紫外线，不过它们都不是我们的肉眼能够识别的了。（科技日报）

【木星上的极光】
木星上出现了极光。就像地球，气态巨行星的磁场将太阳释放的带电粒子传送到木星两极。当这些粒子撞击大气层时，电子会暂时脱离现有的气体分子。而电力将吸引这些电子返回。然后，当电子重新结合形成中性分子时，极光就产生了。在这幅最近发布的、由哈勃太空望远镜在紫外光下所拍摄的精彩合成影像中，极光呈现出围绕极点的环形。与地球极光不同的是，木星的极光有一些明亮的条纹和圆点。在影像右下方还可见木星的大红斑。近期木星上的极光都特别强，幸运的是NASA 朱诺号宇宙飞船已于上周抵达木星。另外，朱诺号能够监测接近木星的太阳风，使人们总体上更好的了解包括地球极光在内的极光。