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Telegram引流软件(www.tel8.vip):科幻,但很科学:《独行月球》中那些有关月球的细节

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本文来自微信公众号:石头科普工作室(ID:Dr__Stone),作者:腰果鸡丁,题图来自:《独行月球》


近期热映的《独行月球》不失为一部出色的科幻喜剧电影,而它在许多科学问题上也做到了惊人的严谨,尤其是有关月球的知识与细节。工作室组织了几个从事空间物理研究的同学一起观影,发现在这方面居然没发现什么硬伤。下面,就让我们跟着电影情节,聊聊那些有关月球的知识,以及两个由好几个研究生才挑出来的可能不科学的细节。


提示:有剧透


月盾基地的选址


月球地图曾多次在荧幕中出现,而月盾基地的位置就在人类第一次登陆月球的位置附近:静海的南部。阿波罗11号登陆舱成功着陆后,阿姆斯特朗在对地通讯中说“这里是静海基地”,这个登陆点也因此得名静海基地(Statio Tranquillitatis)。电影中的月盾基地附近还有一个著名景点:那个代表“个人一小步,人类一大步”的人类首次登月时留下的脚印。


图1 然而这个脚印后来被独孤月玩滑板时抹掉了


月球的昼夜


影片中独孤月为了取得宇宙之锤原型机并返回月盾基地,驾驶太阳能月球车一路向西追赶太阳的桥段想必让人印象深刻。因为月球有自转,所以月球也是有昼夜的。我们看到的月亮的阴晴圆缺,就正好体现了月球的昼夜变化——月球反射太阳光被我们看到的部分,就处于月昼,因为这部分被阳光照亮了。


因为月球自转和绕地球公转周期相同,所以在月球上一个地点看到两次日出的时间间隔——也就是月球上一昼夜的实际时长——等同于月相变化的周期,为29.35天;这个时间稍长于月球的自转周期(27.32天),因为要考虑接近一个月时间内地月系统相对太阳位置的变化,类似于地球太阳日与恒星日的区别。


月盾基地所在的静海基地接近月球赤道。月球的平均半径约为1737.1千米,自转周期约为27.32天,也就是说经过27.32天会转过360度(也就是2π弧度)。那么月球赤道处自转的速度v=(2π×1731.1)/(27.32×24)=16.6千米/小时,考虑地月系统的公转,略大于太阳直射点在月球赤道处移动的速度。因为月球自西向东自转,所以太阳直射点向西移动。


理论上只要在月昼时一直向西走,就能得到更长时间的阳光照射,也就是独孤月所做的“延长白昼”;如果能追上阳光直射点的移动速度,就能在月球上享受永恒的白昼,直到发生月食时阳光被地球挡住。


在阿波罗十七号任务时,尤金·塞尔南开出了17千米/小时的速度,创造了人类在外星球最好的驾驶记录。电影中,作为已经在月球上有规模基地的人类文明来说,即使考虑更大的负载,月球车达到足够把白昼延长几十天的速度应该也不成问题。


图2 宇航员在月球上“飙车”


月球上的天空


电影中在月球上看到的银河可谓明亮又美丽。我们在地球上白天看不到星星,这是地球大气散射太阳光的缘故;而晚上的星星还会一闪一闪,这是大气折射以及湍流引起的。月球没有大气,所以月球的天空无论昼夜都是一片黑色,且理论上都能看到星星;夜晚没有了太阳光的干扰,这些星星在看起来会更为明显,而且不会像地球上那样闪烁。


影片中并没有突出月球上白昼的星空,而在袋鼠拉“雪橇”的夜晚,明亮的银河则如同一幅巨大的油画贴在空中,这较为符合人眼的观察结果。电影中独孤月多次站在月球上遥望地球,而细心的观众会发现,月球上的地球也像地球上的月亮一样,有着阴晴圆缺的变化。


在第一次陨石撞击发生时,有大半个地球都是明亮的;而在地球上的人用灯光告诉独孤月“你不是一个人”时,地球看起来只有蛾眉月那样弯弯的一小截。这个现象很好理解,因为地球也不发光,月球上能看到的地球明亮的那部分处于地球的昼半球,在黑暗中看不清的那部分处于地球的夜半球。我们在地球上看到的是月升,那么在月球上看到的就是地升。


图3 这样的银河在地球上很多地方很难看到,但在月球上随处可见


另外,从地球上看太阳和月亮差不多大,是因为月球半径与地月间距的比值约等于太阳半径与日地距离的比值,这是个简单的三角学问题;但地球的半径可比月球大得多,所以从月球上看,地球会比太阳还大。


图4 地球升起,而且看起来更大


月壤的“质感”


月壤的外观与性质不同于地球上的土壤,它们主要是玄武岩或斜长岩的岩屑,广泛地覆盖在月球表面。由于直接暴露在各种宇宙辐射中,它们被宇宙辐射的高能粒子所风化,物理化学性质甚至同位素组成都有别与地球上的沙子、碎石。影片中的月壤被表现一种为深色的类似沙土的碎屑,还裹挟有不少小石头。而且得益于低重力环境,表层的月壤看起来会更松散,这也让在月球上“滑雪”的桥段看起来更合理。 


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图5 阿波罗11号采样的月壤样本10010(部分)


“可能不合理”的细节——月球的辐射环境


有一个问题其实容易被忽略——工作人员真的可以连续在月球上工作八年之久吗?


正常来说,如果有足够的补给,在不发生意外的情况下,在科研站独孤终老都不是问题;但月球不是地球上的孤岛,在月表,存在着一种无处不在但极端危险的因素——空间辐射。在宇宙空间中广泛存在着大量的高能辐射粒子,地球因为有着全球性的磁场,能够屏蔽掉绝大部分的宇宙辐射,但月球既没有磁场,也没有大气,这些危险的高能粒子将直接到达月表,成为巨大的健康隐患。


月球上辐射的来源主要有太阳高能粒子(solar energetic particles,SEP)和银河宇宙射线(galaxy cosmic ray,GCR)。前者主要来自太阳,粒子通量较大,其造成的危害主要集中在太阳爆发活动期间;后者来自太阳系外,相对太阳高能粒子而言粒子通量较小,但能量高得离谱,而且因为能量高,穿透能力也非常强,极难被屏蔽。前面提到的月壤风化正是这些辐射造成的。


图 6月球并没有地球这样的磁场保护


一般用mSv(毫西弗)来表示所吸收的辐射剂量对人体的影响大小,普通人在地球上每年受到的辐射在1到2mSv;辐射相关工作人员受到的辐射不应超过每年50mSv。短时间内一次性受到的辐射量达到100mSv就足以引起染色体的变化,超过1500mSv则有可能危及生命。


根据嫦娥4号的测量结果,如果一个人没有防护措施地在月表裸奔(虽然这并不可能),他一天受到的辐射最高可超过1.36mSv,是国际空间站中的2.6倍;如果月盾的工作人员要时常外出作业,在月球上仅靠宇航服提供的辐射屏蔽程度无疑是远远比不上空间站的。


关于宇航员一年内所受宇宙辐射的限制存在不同的标准,上限一般为50mSv到200mSv,而根据NASA的标准,除了辐射年限,宇航员一生受到的宇宙辐射总量不建议超过600mSv。如果在月球上连续工作八年,存在较大的辐射过量隐患,建议的做法是工作人员分批次在月表作业,一批人员的辐射量达到单次任务的限制后,先返回地球检查身体并进行休养,等待下一次返回月球。


不过,考虑到影片中面临毁灭的故事背景,也许在进一步加强辐射防护的同时,让工作人员冒着辐射过量的风险尽可能更好地完成任务,也不失为一种无可奈何的策略,虽然这对于拯救人类的英雄们而言有些残酷了。


月球的温度与月球车降温的疑惑


因为没有大气的调节,月球上昼夜温差非常大。月昼的平均温度可超过100摄氏度,而夜间平均温度则低于零下150摄氏度。影片中的独孤月拉走宇宙之锤的月球车看起来能够形成一个密闭空间(因为他在车内时并没有带上宇航服的头盔),只要有太阳能供能,就可以自主调节车内的气压、温度等。在日落后,独孤月为了省电开启了车子的节能模式,在失去调节后车内温度在几小时内骤降到了零下40摄氏度,对应了月球上寒冷的长夜。


不过,如果深究这里面的物理问题,车内的降温真的可以这么快吗?这一点,我们并没有找到合理的物理模型来解释是或者不是。


月球上几乎是真空环境,而温度的本质是原子分子的能量,所以我们这里提到的是月壤的温度,在月球上讲类似地球的“气温”的概念是没有意义的。而真空是不导热的。


月球表面约2cm深的月壤会在白天时吸收太阳辐射迅速升温,但真空不导热,月壤本身的导热能力也很差,所以表层月壤在夜间迅速降温的主要途径是直接向外辐射热量——本质上类似黑体辐射。但月壤不是黑体,所以这一过程也叫非黑体辐射(Nonblackbody radiation)。得益于广阔的月表和较低的比热容,在夜晚来临时,月球表面浅层的月壤温度会迅速下降。


但是——因为月壤的导热性很差,所以昼半球月壤的温度会随月壤深度的增加而迅速衰减。根据2015年的一份研究,从月表到5cm深度处,温度就下降了超过90摄氏度;夜半球则正好相反,从月表到5cm深度,温度上升了约100摄氏度。一直到50cm深度处,月壤在昼半球和夜半球的温度几乎不变,稳定在零下二十摄氏度左右。


现在我们回到电影中。在真空环境中,热量传递是一个非常麻烦的事情,比如国际空间站就有许多的散热板。车内温度要降低,最可能的途径有直接向外辐射能量;通过车皮与车轮、车轮与月壤进行热交换;或者直接向外界排放气体等方式。如果要建立物理模型来分析的话,要考虑的内容很多,比如车子的材料和结构、车轮和月壤的接触面积等。反过来,在月昼时月球车如何保持温度不升高,这同样也是需要考虑的问题。如果您找到了合理的解释,欢迎与我们联系。


图7 热量传递的三种方式,一切考虑都要从这里入手


小结


总而言之,《独行月球》是一部优秀的科幻喜剧。科幻作品重在艺术创作,天马行空的想象本就是其一大魅力,苛求科幻作品处处遵循科学原理本身就不合适;但从专业的角度探究科幻作品中一些细节的可行性,却是不错的消遣,特别是符合逻辑与科学事实的科幻,更显出对于科学的一种尊重。况且《独行月球》摄制组还请到了专业的科学顾问,让这部影片在放飞幻想的同时做到了科学上的专业,就更让人忍不住去细细地讨论它的各种细节了。


不过,一个人在月球真的能活下去吗?


参考文献

[1]    Malla R B ,  Brown K M . Determination of temperature variation on lunar surface and subsurface for habitat analysis and design[J]. Acta Astronautica, 2015, 107(feb.-mar.):196-207.

[2]    Quan Z ,  Wimmer-Schweingruber R F ,  Kulkarni S R , et al. First measurements of the radiation dose on the lunar surface[J]. Science Advances, 2020, 6(39).


本文来自微信公众号:石头科普工作室(ID:Dr__Stone),作者:腰果鸡丁,美编:可然

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