科學(xué)為名 探秘繁星

謝明昊

“長河漸落曉星沉”“星垂平野闊，月涌大江流”……從古至今，流傳著許多描寫星辰的千古名篇，字字句句中都可見人類對于星空的好奇與向往。隨著科學(xué)手段的不斷發(fā)展，人類漸漸開始對地球、宇宙都有了初步的認(rèn)知：原來俯仰之間的漫天星辰，只是宇宙中無數(shù)星體成員的映射。但奇妙而客觀的觀測數(shù)據(jù)并未澆熄人類對宇宙的美好想象，反而激發(fā)出了一代代科學(xué)從業(yè)者更為熱切的求索之心，甚至由此而衍生出對地球和行星動力過程的研究。

地球和行星動力學(xué)是研究地球、行星、衛(wèi)星和行星系（特別是太陽系），以及它們形成過程的科學(xué)。研究對象從地球本身到小的微流星體，大的氣態(tài)巨行星;研究目標(biāo)集中在它們組成、結(jié)構(gòu)、動力機(jī)制以及相互之間的關(guān)系和演化。起源于地球動力學(xué)，通過結(jié)合天文學(xué)、地球和行星動力學(xué)高度整合的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和沖擊動力過程來系統(tǒng)約束地球和行星的驅(qū)動過程，掌握它們的演化規(guī)律，并預(yù)測它們的演化結(jié)果。此外，行星動力學(xué)與天文學(xué)存在一定區(qū)別，行星動力學(xué)的研究集中在人類已經(jīng)取得觀測數(shù)據(jù)和樣品，旨在深挖其背后演化的成因與過程。以北京大學(xué)地球與空間科學(xué)院副教授張南的主研領(lǐng)域?yàn)槔麕ьI(lǐng)北京大學(xué)地球與行星動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室在地球超大陸演化、月球表面構(gòu)造與內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及冰衛(wèi)星冰川變形的相關(guān)研究中深耕多年，以現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，承擔(dān)了眾多國家級重大項(xiàng)目，為我國嫦娥探月、火星研究等提出了大量有意義的科學(xué)問題。

心之所指?興趣使然

與多數(shù)科學(xué)研究者一樣，張南對于科學(xué)研究的熱忱發(fā)源于自身的興趣，但其獨(dú)特之處在于，他最初的興趣點(diǎn)聚焦在科學(xué)探究的“裝備”之上，“我考大學(xué)是在1996年，當(dāng)時計(jì)算機(jī)還沒有全民普及。我和北京大學(xué)招生老師仔細(xì)地討論了地震地質(zhì)實(shí)驗(yàn)很多是要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬的，這對我來說有非常大的吸引力，再加上有老一輩親戚在中國石油勘探開發(fā)研究院從事地球科學(xué)方面的研究，講解了一些基礎(chǔ)的研究內(nèi)容和方法，我覺得很有意思。盡管身邊也有一些人說地質(zhì)專業(yè)比較冷門，但是我并不在乎”。一次正確的選擇影響力會有多大，這是少年時的張南尚未想象到的。

順利考入人人艷羨的頂級學(xué)府，張南并未因此而放松對自己的要求。在北京大學(xué)度過的7年求學(xué)生涯之中，他努力汲取相關(guān)專業(yè)知識，按照初心進(jìn)行了地球動力學(xué)建模方面的研究，并且開始關(guān)注行星動力學(xué)研究。不斷擴(kuò)充自身科學(xué)視野的張南在碩士畢業(yè)后產(chǎn)生了更為深遠(yuǎn)的想法，他想走出國門看一看。一向行動力極強(qiáng)的他選擇的第一站便是加拿大多倫多大學(xué)地質(zhì)系。然而，同樣從事地球物理學(xué)專業(yè)的研究，在多倫多大學(xué)從事的項(xiàng)目局限的區(qū)域非常小，無法滿足張南對地球和行星動力學(xué)演化的興趣。“在加拿大的兩年中，研究一天天在推進(jìn)，但我卻覺得與我感興趣的內(nèi)容漸行漸遠(yuǎn)，所以我覺得應(yīng)該換一個更宏大的方向重新開始?！边@并非一句空談，對學(xué)術(shù)的純粹追求給予了張南莫大的勇氣。不久后，他便前往美國科羅拉多大學(xué)物理系開啟了自己的博士生涯。

博士畢業(yè)后，張南先后前往布朗大學(xué)和伍茲霍爾（Woods?Hole）海洋研究所工作，繁忙的工作填滿了他的生活，密密麻麻的工作日程表讓他無暇顧及對祖國的思念。然而隨著我國經(jīng)濟(jì)與科學(xué)的飛速發(fā)展，國內(nèi)的環(huán)境相較之前有了質(zhì)的飛躍。因此，在旅居海外11年后，當(dāng)張南于2015年年底再次踏上祖國的土地時，不得不由衷感嘆北京翻天覆地的改變。但歸國的喜悅也并未沖淡他所面對的壓力與挑戰(zhàn)，在入職北京大學(xué)并順利承接國家高層次人才計(jì)劃項(xiàng)目的同時，張南又收到聯(lián)合申請的聯(lián)合國教科文組織的地球科學(xué)項(xiàng)目“超大陸演化周期與地球動力學(xué)（Supercontinent?Cycle?and?Global?Geodynamics）”通過的通知。于是在接下來長達(dá)4年的時間里，他每隔幾個月就要跨越一次南北半球，充分體驗(yàn)反季節(jié)的“穿越式改變”。

頻繁的長途飛行與強(qiáng)烈溫差，再加上科研工作的壓力，最終使張南不得不面對心血管疾病的侵?jǐn)_。饒是如此，張南也并未動搖對行星動力學(xué)的向往與信念，并在如此忙碌的兩年中，還在學(xué)校的大力支持下完成了地球和行星動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作，為更多“仰望星空”的學(xué)子創(chuàng)建了探秘宇宙的平臺與機(jī)會。

解密月球?能量起源

“其實(shí)我的研究方向聽起來有點(diǎn)科幻。”張南不無打趣地說道。誠然，由于宇宙具有“時間無盡永前、空間無界永在、質(zhì)量無限永有”的獨(dú)特神秘性，所以“外太空”一直是眾多科幻小說家偏愛的著力點(diǎn)，同時也是科學(xué)界的寵兒。在一眾天體之中，“月球”又有著獨(dú)一無二的特質(zhì)——它是地球唯一的天然衛(wèi)星。作為距離地球最近的一顆星球，它從人類開始探索太空之初就使無數(shù)科研工作者為之側(cè)目。從1959年的“Luna2”到2021年的“嫦娥五號”，至今人類已經(jīng)有了近60次與月球相關(guān)的太空探索。

通過大量的觀測與分析，目前，月球被普遍認(rèn)為起源于一次45億年前的撞擊。當(dāng)一個火星大小的星體猛烈撞擊原始地球，月球便從地球分裂出來，最近的觀測數(shù)據(jù)也顯示其硅酸巖部分的化學(xué)成分與地球的硅酸巖部分十分相似，從而佐證了這一假說。但是，以張南為代表的科學(xué)家卻從月球觀察到的區(qū)域結(jié)構(gòu)和特征提煉出了整體結(jié)構(gòu)演化的重大科學(xué)問題。據(jù)悉，月球的表面幾乎沒有大氣，只有從風(fēng)化層飄起的塵埃。另外，月球與地球潮汐鎖定，其近地面（指永遠(yuǎn)朝向地球的半球）和被地面地表地形呈正面低地、背面高地的不對稱結(jié)構(gòu)：正面是廣泛分布的月海玄武巖，其中富含鉀（K）元素、稀土元素（REE）和磷（P）元素，這在月球研究中一般簡稱為KREEP;而背面則分布著大量且極為古老的斜長巖，這一不對稱的分布形態(tài)與月球的熱演化密切相關(guān)，也是月球演化最重要的約束。那么，究竟是什么原因造就了這一特殊現(xiàn)象呢？

為進(jìn)一步探究，張南在2017年正式啟動了國家自然基金委面上項(xiàng)目“放射性生熱元素在月球里的運(yùn)移對月球不對稱結(jié)構(gòu)的影響”，試圖從行星內(nèi)部動力學(xué)及天體撞擊動力學(xué)方面來理解此結(jié)構(gòu)。在研究中，張南帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)展完善了三維月幔耦合一維月核數(shù)值模擬的方法和三維隕石撞擊動力學(xué)方法。結(jié)合最新觀測，從月球巖漿洋后期分層結(jié)晶開始，系統(tǒng)研究月球生熱元素在月幔反轉(zhuǎn)和月球火山過程中的演化。值得一提的是，此項(xiàng)目為全球首次整合三維撞擊動力學(xué)和三維核幔耦合對流動力學(xué)，從而形成了連續(xù)演化模型。這一突破的取得存在著極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，極大程度上迎合了我國探月工程中列出的重大探索目標(biāo)與科學(xué)焦點(diǎn)：第一個是背面地表和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，KREEP運(yùn)移演化涉及全月球的時空分部，能為背面探索提出基本科學(xué)問題并做好準(zhǔn)備;第二個是鈦鐵礦的分布，鈦鐵礦是上好的工程用礦物，也是潛在的生氧生水的礦物，對人類開展月球登陸和基地建設(shè)起到關(guān)鍵的支撐。此外，從更廣義的方面來講，由于月球是從地球分離出的星體，因此對地球早期狀態(tài)的探究工作也可從月球表面保存的巖石和隕石中得到許多有效信息。

雖然項(xiàng)目的成績是顯而易見的，但其實(shí)這也只是張南團(tuán)隊(duì)研究領(lǐng)域中的一個方向而已。在項(xiàng)目完成之后，他并未在成果帶來的欣喜之中多做停留，而是轉(zhuǎn)身又投入了茫茫學(xué)海之中。

大陸巨變?滄海桑田

事實(shí)上，從2004年張南開啟研究生涯以來，一直貫穿其中的一個課題便是針對超大陸演化的研究。經(jīng)無數(shù)地質(zhì)學(xué)家研究證明，如今的7個大洲在2.3億年前原本存在于一個大陸之上，被稱為潘多拉泛大陸。大陸漂移學(xué)說普遍認(rèn)為，此大陸在1.9億年以前逐步解體，才形成了如今的大陸和大洋。然而，最新研究表明，現(xiàn)如今這些板塊正在以每年約4.9cm的平均速度移動，因此科學(xué)家們預(yù)測，在約2.5億年后，這種移動終將導(dǎo)致地球七大洲重新聚集在一起，再次形成超級大陸。

由張南組建的地球與行星動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室長期以來都引領(lǐng)著全世界在超大陸-地幔動力學(xué)領(lǐng)域的前沿探索。通過對超大陸匯聚與裂解、全球造山帶和海底火山、全球地幔對流模式和地圈、地核圈耦合的研究，張南的課題組提出了新的大陸演化模式。并重新預(yù)測了下一期的超大陸事件，其可能發(fā)生在3.5億年以后。這一機(jī)制的研究改寫了半個世紀(jì)以來板塊動力學(xué)演化的經(jīng)典理論——“威爾遜旋回理論”（Wilson?Cycle），目前仍有待全世界板塊動力學(xué)家和地球動力學(xué)家的驗(yàn)證和討論。

由于此種學(xué)說衡量的時間尺度是地質(zhì)時間，所以其當(dāng)下的現(xiàn)實(shí)意義往往會被人們所忽略。但是據(jù)張南介紹，超大陸的成因及演化研究其實(shí)與地球環(huán)境息息相關(guān)，最直接的一個應(yīng)用方向便是針對數(shù)年前在科學(xué)界掀起熱潮的“火星殖拓”。行星科學(xué)界有觀點(diǎn)稱，火星是目前星體之中最適宜人類進(jìn)行殖拓遷移的星球之一，除卻其本身的硅酸鹽結(jié)構(gòu)與地球的物質(zhì)組成極為類似外，它同時也是和地球一天時間最接近的類地行星（24小時37分）。雖有種種優(yōu)勢，但是火星環(huán)境相較于生命的適宜生存環(huán)境來看，仍有不小差距。除了顯而易見的溫差需要進(jìn)一步縮減之外，最“致命”的問題則是因?yàn)榇髿鈱?，火星的大氣密度甚至不足地球?%，怎樣人造一個適宜人類殖拓的環(huán)境，生成足夠的二氧化碳濃度的火星大氣是人類正在面臨的實(shí)際挑戰(zhàn)。

但是近期，在火星表面觀測的證據(jù)表明火星局部有類板塊構(gòu)造。而且，火星地殼中呈線性形狀和極性交替的磁異常已被軌道衛(wèi)星探測到。構(gòu)造學(xué)家認(rèn)為，它們與在地球海底發(fā)現(xiàn)的類似條紋具有共同的起源，可能火星在過去有類大洋中脊擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)。同時，構(gòu)造學(xué)家也識別出大規(guī)模的走滑斷層帶，可以將其比作地球上的板塊邊界轉(zhuǎn)換斷層（例如圣安地列斯斷層）。這些類板塊構(gòu)造觀測提供了使用地球上充分發(fā)展的板塊破裂方法在火星上制造火山和二氧化碳?xì)怏w的方法，其中的一些訣竅就在于超大陸板塊動力學(xué)的研究。由此可見，其實(shí)萬億年間的滄海巨變距離現(xiàn)實(shí)生活也并不遙遠(yuǎn)，其影響力就切實(shí)發(fā)生在每一個人身邊。

事實(shí)上，行星科學(xué)最初發(fā)源于無數(shù)來自古中國、古希臘、古阿納薩齊等遠(yuǎn)古人類文明的手稿與圖畫之中，對行星的觀測甚至可以追溯至文字記錄前的世界，那些躍然紙上的筆筆涂繪都在跨越千萬年向我們訴說著古人對天體現(xiàn)象的向往與興趣。雖然，隨著科學(xué)的發(fā)展，我們已經(jīng)可以解答部分來自遠(yuǎn)古的疑問，但迄今，遙遠(yuǎn)的星辰在人類看來仍舊是一個個巨大的謎團(tuán)。因此，在未來，繼續(xù)徜徉在萬千星象和滄海桑田中的張南團(tuán)隊(duì)，仍須將這份求索精神薪火相傳，在探測手段及專業(yè)知識的不斷更迭中探索更多大自然遺留下的秘密與啟示。

（責(zé)編：關(guān)弋）