月球基地设想（二）

本文，将依据“熔岩管洞穴”这种特殊结构来进行介绍。

一、什么是熔岩管洞穴

熔岩管洞穴是洞穴的一种特殊类型。

以地球为例, 地球的浅部地壳中有多种类型的洞穴。

按洞穴的围岩性质分为岩溶洞穴、石膏洞、砾岩洞、熔岩洞、砂岩洞、花岗岩洞和冰川洞等, 其中岩溶洞穴占绝大多数.

熔岩洞穴：如湖北隐水洞等

石膏洞穴

熔岩洞穴

其余的景观，大家可自行百度。

熔岩管的形成 完全不同于岩溶作用的洞穴, 它是喷出的高温岩浆在地表流动过程中, 黏度低的玄武质岩浆边流动边冷却, 在熔岩流表面固结成一定厚度的外壳, 形成绝热保护层, 此时内部岩浆的降温速率极低，可以保持高温状态持续流动达数百至上千千米, 直到最后岩浆源头停止供给岩浆, 从而形成中空的管道, 称为熔岩管。

韩国济州岛万丈岩窟熔岩管内部 形貌(据Tuomas Lehtinen/ Shutterstoc)

韩国济州岛在20万至30万年前发生火山爆发时形成多个熔岩管, 形成了世界上最大的熔岩管洞穴(称为 “万丈窟”, 该熔岩管长度数十千米, 高数十米, 宽十余米。而且月球上熔岩管的宽度理论上可达数千米。

由于洞穴具有天然的庇护条件, 地球上的洞穴也自然成为了古人的栖息地。

月球表面也有大量熔岩管。火星表面火山活动历史悠久, 也存在大量熔岩管。其他类地天体, 如水星、金星和木卫一等天体的表面都有大量火山活动的证据, 也可能存在熔岩管, 及熔岩管塌陷后形成的洞穴, 目前由于探测数据分辨率不足, 尚未发现这类熔岩管洞穴。

火星帕乌尼斯火山 表面熔岩管顶部塌陷后形成的坑链和天窗

目前, 经过核实确认的熔岩管洞穴有8个分布在月海区域, 2个分布在高地区域. 另外, 近期在月球北极区域也发现了撞击坑底部熔体塌陷洞穴或熔岩管洞穴。

(a) 熔岩管的初始横截面形态; (b) 熔岩管塌陷后的纵切面形态

月面熔岩管链状塌陷的形貌特征（引自 肖龙, 2018）

接下来，我们将介绍熔岩管内的具体环境情况：

二、温度

上一次，我们已经介绍了月球表面的温度变化很大, 温差可达300°C. 根据阿波罗探测数据, 阿波罗15着陆点哈德利月溪处的温度在 –171°C~111°C之间变化 阿波罗17着陆点Taurus Littrow沟谷处的温度变化范围是–181°C ~101°C。

月球表面温度和塌陷熔岩管底部温度对比图

但对于塌陷洞穴的光照区和阴影区的温度 测量显示了月面和熔岩管内部的温度变化,上图显示没有光照的熔岩管内部的温度在–20°C–30°C。从垂向上看, 一般在月表1 m 以下, 温度就基本达到稳定。

三、宇宙射线照射

宇宙射线包括太阳射线和外来宇宙射线, 是影响宇航员月面活动的重要因素. 前人估计月球表面一天的太阳射线辐射量为2 Sv, 远超过生命所能承受的范围(1–2 mSv/d). 但是月壤能够起到阻挡太阳射线的作用. 对于外来宇宙射线, 6m左右厚的月壤就能将宇宙射线强度消减到合适的范围（如下图所示）。月面6 m以下的宇宙射线辐射剂量极小, 因此深度达数十米的熔岩管内部在预防宇宙射线方面是安全的。

月表辐射剂量随深度的变化

四、月尘、溅射物、陨石或微陨石撞击

月球表面缺少大气层的保护, 直接遭受太阳风的作用, 使得月表细小的物质形成带电月尘. 在电场的作用下,阴影区带负电的月尘向光照区运移. 这种现象可能在日出和日落时大规模发生. 月尘对人类的活动以及探测器的影响非常不利. 熔岩管内部为永久阴影区, 可免遭太阳风的作用而不会产生月尘, 并且微陨石撞击形成的溅射物也很少会落入熔岩管内部。

陨石或微陨石撞击对人类和探测器在月球表面活动也威胁很大。而熔岩管顶部的月壤与月岩提供了很好的保护作用, 使熔岩管内部免遭微陨石撞击.

五、水的保存

水是最受关注的地外资源, 不仅是人类生存所必须, 还能作为推进剂的原料。因此, 目前各国都把关注的焦点投向月球极区的永久阴影区, 因为那里长期无光照、极度低温, 能够很好的保存水。同样地, 熔岩管内部的环境与极区永久阴影区具有高度的相似性。对于很早形成的熔岩管洞穴, 太阳风照射到底部形成的羟基或水分子很容易累积保存在熔岩管内。而且，未来人类如果建设基地，水循环必然是不可忽略的一环，这将会是一个很好的保存位点。

六、地下空间

根据熔岩管的遥感数据分析表明, 月面熔岩管的深度达几十米, 宽度在几十到几百米, 而 延伸的长度可达几百米到几百千米。观测数据表明月面熔岩管顶部 的厚度可达数十米, 承载的负荷更大, 可拥更大的地下空间. 有些熔岩管的宽度可达数千米, 能够在其内部建一座城市。

空间示意图

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七、尾声

此外还有许多很多科学研究价值，考虑到科普性，就不再一一介绍。

下一次我们将介绍另一种建设方案，希望大家持续关注。

Reference

肖龙, 黄俊, 赵佳伟, 等. 月面熔岩管洞穴探测的意义与初步设想. 中国科学: 力学天文学, 2018, 48:119602

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Langseth MG, Keihm SJ, Peters K. Revised lunar heat-flow values. In: Proceedings of Lunar and Planetary Science Conference. Houston: Lunar and Planetary Institute, 1976. 3143–3171

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