張騰飛 王燕海 楊蔚** 劉洋 吳登生 吳偉 魏勇 林楊挺 李獻華

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星,是距離地球最近的天體,是人類開展深空探測的首選目標。月球探測除了具有重大的經(jīng)濟、政治和軍事意義之外,還對自然科學研究具有強大的牽引作用(歐陽自遠, 2007)。人類對月球的認識主要來自美國阿波羅計劃和蘇聯(lián)月球號探測計劃實施50多年來對月巖樣品的研究,以及包括我國嫦娥探月工程在內的新一輪月球探測的成果(林楊挺, 2010)。

嫦娥探月工程的成功實施推動了我國月球科學研究從調查跟蹤研究逐步向自主探索轉變,吸引了大量其他領域研究者參與到月球科學研究(Leetal., 2023),并取得了豐碩的成果(李春來等, 2021; 劉建忠等, 2013)。尤其是2020年嫦娥五號任務完成我國首次地外天體采樣,將我國月球科學研究帶入了新的階段(Yang and Lin, 2021)。自2021年7月12日首批嫦娥五號月球樣品發(fā)放至今,我國科學家在月壤性質與物質組成、月球年輕火山活動時間與機制、月球撞擊玻璃和形成過程、月表太空風化等方面,取得了系列原創(chuàng)成果(詳見綜述Chenetal., 2023),在國際學術界引起了廣泛的關注(Carlson, 2021; Mallapaty, 2022)。

深空探測是國家科技規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分,是實現(xiàn)科技強國的重要驅動力之一,也是大國展現(xiàn)綜合國力的舞臺(楊蔚等, 2021)。未來我國還計劃在2030年前實現(xiàn)載人月球探測(劉峣, 2023(1)劉峣. 2023. 月球探索新任務新想象. 人民日報海外版, 2023年07月20日, 第009版),在2035年前建設國際月球科研站(裴照宇等, 2020)。如何在未來月球探測任務中最大化實現(xiàn)科學新發(fā)現(xiàn),是擺在我國月球與行星科學研究者面前的新的歷史使命。因此,研判月球科學前沿領域,調研我國在該領域的研究現(xiàn)狀,對我國未來月球探測和研究的規(guī)劃與組織至關重要。

本文基于科學引文索引系統(tǒng)Science Citation Index(SCI)的基礎數(shù)據(jù)庫Web of Science(WoS)的數(shù)據(jù),利用文獻計量學方法(丁潔蘭等, 2021; 任勝利等, 2023),定量研究了月球科學領域的論文產(chǎn)出數(shù)量、學科和期刊分布、各主要國家和機構的競爭力、研究領域和熱點、國際合作等現(xiàn)狀,并梳理出月球科學前沿研究領域,總結我國在該領域的現(xiàn)狀和不足。本研究結果將為我國未來月球探測和研究的規(guī)劃與組織提供參考。

1 數(shù)據(jù)采集與分析方法

文獻計量學是圖書情報學的一個分支,它以文獻計量特征和文獻體系為研究對象,使用數(shù)學、統(tǒng)計學等計量方法,評價科學技術的現(xiàn)狀并預測其發(fā)展趨勢(邱均平, 1988)。采用文獻計量學理論和方法,對科學研究進行定量評價是一種重要途徑和有效方式(高俊寬, 2005)。

本文數(shù)據(jù)來源于WoS數(shù)據(jù)庫(http://www.webofscience.com/wos)。該數(shù)據(jù)庫收錄了12000多種世界權威的、高影響力的學術期刊,內容涵蓋自然科學、工程技術、生物醫(yī)學、社會科學、藝術與人文等領域,最早回溯至1900年,是當前學術界公認的評價體系數(shù)據(jù)庫。本文以主題詞為“moon or lunar”作為檢索式,檢出1900年以來的數(shù)據(jù)總計39249條,然后在學科類別選項中過濾掉人文社科、藝術、生物、醫(yī)學、生態(tài)學、海洋科學等,因為這些類別里的論文基本與月球科學本身無關,而是關于地球生物、疾病、文化、習俗可能受到月相的影響等。余下的自然科學、工程技術以及相關交叉學科共有31032條SCI論文數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集時間為2023年7月18日。

以上述獲得的31032條SCI論文數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)庫,本文開展如下分析工作:(1)利用WoS網(wǎng)站分析功能,對論文學科、期刊、國家、機構、作者、國際合作情況分析,并獲取逐年演變數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進行演變趨勢分析;(2)從WoS網(wǎng)站下載論文基礎數(shù)據(jù),導入VoSViewer軟件(Van Eck and Waltman, 2009) 進行詞頻聚類分析,截取關鍵詞詞頻在150次以上的129個關鍵詞,過濾掉Moon、Lunar、Earth、Mars等與天體相關的詞匯,把最終遴選出的112個關鍵詞定義為高頻關鍵詞,然后對其進行聚類分析;(3)利用VoSViewer軟件篩選出Links值排名前2%的文章,共621篇,定義為重要論文,然后對重要論文進行聚類分析;(4)基于上述文獻計量結果,梳理出月球科學的主要研究領域和熱點問題,總結國際、國內月球科學研究現(xiàn)狀,為我國未來月球探測和研究的規(guī)劃與組織提出意見和建議。

2 論文產(chǎn)出分析

本文首先對月球科學領域論文產(chǎn)出排名前十的學科、期刊、國家、機構及其論文數(shù)量占比進行分析比較(表1、表2),然后對不同學科、期刊、國家、機構的論文產(chǎn)出隨時間(1962～2022年)的變化進行分析(圖1、圖2、圖3、圖4),列出高產(chǎn)作者(表3),對比中美兩國國際合作的現(xiàn)狀(表4、圖5)。

表1 月球科學領域論文產(chǎn)出排名前10的學科和期刊

表2 月球科學領域發(fā)表論文數(shù)排名前10的國家和機構

表4 月球科學領域與中國和美國合作的國家

圖1 1962～2022年月球科學領域4個代表性學科年發(fā)表論文數(shù)和占比演變Fig.1 Number and percentage of annual publications in lunar science by 4 disciplines from 1962 to 2022

圖2 1962～2022年月球科學領域8種代表性期刊年發(fā)表論文數(shù)和占比演變Fig.2 Number and percentage of annual publications in lunar science by 8 journals from 1962 to 2022

圖4 1962～2022年月球科學領域5個代表性機構年發(fā)表論文數(shù)和占比演變Fig.4 Number and percentage of annual publications in lunar science by 5 institutions from 1962 to 2022

圖5 中美兩國與其他國家在月球科學領域國際合作情況對比Fig.5 Comparison of international cooperation between China and the United States in lunar science

參考歐陽自遠等(2003),本文將人類月球探測活動劃分為4個階段:(1)1962～1976年是第一次探月高潮,緣于美國阿波羅計劃,簡稱為“第一次高潮”;(2)1976～1990年是月球探測平靜期,簡稱為“平靜期”;(3)1990～2003年是重返月球計劃時期,簡稱為“重返月球”;(4)2004年至今是以我國嫦娥探月工程為代表的無人探月階段,簡稱為“嫦娥探月”。

2.1 學科

月球探測和研究推動了幾乎所有自然科學學科的發(fā)展,而影響最大的,即月球科學領域產(chǎn)出排名前十的學科依次是:天文學與天體物理學、地球化學與地球物理學、地球科學綜合、自然科學綜合、航空航天工程學、氣象與大氣科學、電子與電氣工程、物理學綜合、遙感科學、影像科學與攝影技術(表1)。本文選取天文學與天體物理學、地球化學與地球物理學、航空航天工程學和遙感科學4個代表性學科進行論文產(chǎn)出和占比的演變分析(圖1)。

從圖1a可以看出,天文學與天體物理學、地球化學與地球物理學及航空航天工程學年發(fā)表論文數(shù)的變化趨勢與人類探月工程的實施密切相關,在阿波羅計劃實施期間各自出現(xiàn)一個小的峰值,在平靜期均沒有突出的成果產(chǎn)出,隨著1990年美國重返月球,這3個學科的發(fā)表論文數(shù)又出現(xiàn)新一輪的增長,嫦娥工程的實施進一步推動了這些學科的發(fā)展,而且增長趨勢仍然在延續(xù)。

論文占比方面(圖1b),天文學與天體物理學大部分時間保持在30%～40%,在平靜期出現(xiàn)兩個低谷,下降到14%左右。地球化學與地球物理學雖然年論文占比不是最高,但在阿波羅計劃階段曾猛增至50%,可見載人月球探測和樣品返回的主要成果來自于地球化學與地球物理學的支撐。

遙感科學的變化趨勢與以上3個學科不同(圖1),2012年之前幾乎沒有太多成果產(chǎn)出;直到2013年,發(fā)表論文數(shù)和論文占比才同時進入增長期,快速增長持續(xù)至今。這一方面與遙感科學相關技術快速發(fā)展與廣泛應用有關(羅玲等, 2018);另一方面,與包括嫦娥工程在內的越來越多的無人探測任務有關(李春來等, 2021)。

2.2 期刊

在月球科學領域發(fā)表論文數(shù)排名前10的期刊是:Icarus、JournalofGeophysicalResearch-Planets、ActaAstronautica、Nature、Science、PlanetaryandSpaceScience、Meteoritics&PlanetaryScience、GeophysicalResearchLetters、AdvancesinSpaceResearch和TransactionsAmericanGeophysicalUnion(表1)。美國有8種,英國有2種。我們選取前6種,并增選地學重要期刊GeochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters(排名第11和12),對這8種期刊的年發(fā)表論文數(shù)和占比變化趨勢進行分析(圖2)。

從圖2可以看出,8種期刊年發(fā)表論文數(shù)和論文占比的變化趨勢中,Science、Nature、GeochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters與以Icarus為代表的另外4種期刊的變化趨勢不同。以Icarus為代表的另外4種期刊發(fā)表論文數(shù)的第一個小高峰均出現(xiàn)在阿波羅探月階段,之后快速回落,在1990年美國重返月球時再次開始增長至今。

綜合性期刊Science和Nature在阿波羅計劃實施期間刊載了大量高水平科研論文,1969年阿波羅11號返回月壤樣品,1970年Science的年發(fā)表論文數(shù)從5篇飆升至174篇,論文占比為30.4%,成為歷史最高點。Science幫助美國研究者第一時間把阿波羅樣品的研究成果分享給學術界。Nature的年發(fā)表論文數(shù)的峰值出現(xiàn)在1969年,為29篇。此后,兩刊的走勢不同于前幾種期刊,年發(fā)表論文數(shù)和論文占比均回落并長期處于低位,也從一個側面說明在較長時間內月球科學領域有影響力的學術成果呈下降趨勢,這一現(xiàn)象可能與阿波羅計劃之后長達40多年沒有新的月球樣品返回有關。

GeochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters的趨勢比較類似,在阿波羅計劃實施期間出現(xiàn)小峰值,其后其發(fā)表論文數(shù)和占比都基本保持穩(wěn)定,說明1990年美國重返月球對GeochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters的影響有限。

2.3 國家

在月球科學領域發(fā)表論文數(shù)排名前10的國家是:美國、中國、德國、法國、英國、日本、俄羅斯、意大利、加拿大和瑞士(表2)。幾個歐洲國家的變化趨勢相近,僅選取歐洲排名第一的德國,與美國、中國、日本和俄羅斯進行對比(圖3)。

從圖3總體趨勢看,隨著月球科學領域科學技術快速發(fā)展進步,這5個國家的發(fā)表論文數(shù)整體呈現(xiàn)逐步上升趨勢,但占比表現(xiàn)和發(fā)展趨勢不盡相同。德國、日本和俄羅斯年發(fā)表論文數(shù)和占比變化趨勢十分相似,在阿波羅計劃時期和探測平靜期數(shù)量和占比極少,從第三階段開始數(shù)量上呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,但論文占比整體上沒有明顯變化,基本在10%以內小幅度波動。而中美兩國在趨勢上與德國、日本和俄羅斯有較大不同。

美國的年發(fā)表論文數(shù)和占比始終處于第一。阿波羅計劃階段,尤其是1969年阿波羅11號采回樣品后,年發(fā)表論文數(shù)從1972年的37篇,迅速增長至1973年的峰值254篇,占比激增至歷史最高值68.3%,之后年發(fā)表論文數(shù)和占比開始遞減。自1990年重返月球開始,年發(fā)表論文數(shù)又呈現(xiàn)逐步上升趨勢,從1991年的179篇增長至2022年的563篇,占比基本在40%～60%之間浮動,從2017年開始緩慢下降。

中國年發(fā)表論文數(shù)和占比在人類探月前三個階段都較低,但從嫦娥探月工程開始呈現(xiàn)逐年快速增長趨勢,2013年超過德國上升至第二位。年發(fā)表論文數(shù)從2004年的12篇激增至2022年的457篇,而且增長還在延續(xù),很有可能在未來幾年超越美國,成為年發(fā)表論文數(shù)第一的國家。這種增長趨勢很可能是受到2004年啟動的嫦娥工程的牽引,人才的成長通常需要時間積累,成果的井噴出現(xiàn)在嫦娥工程啟動約10年后的2013年。

2.4 機構

在月球科學領域發(fā)表論文數(shù)排名前10的機構是:美國航空航天局、美國加州大學系統(tǒng)、美國加州理工學院、烏迪斯-法國研究型大學聯(lián)盟、中國科學院、俄羅斯科學院、美國航空航天局噴氣推進實驗室、法國國家科學研究中心、美國航空航天局戈達德航天中心和美國約翰霍普金斯大學(表2)。發(fā)表論文數(shù)前十的機構美國占據(jù)六席,本文選取美國航空航天局、美國加州大學系統(tǒng)、法國國家科學研究中心、中國科學院和俄羅斯科學院進行對比分析(圖4)。

從圖4總體趨勢看,美國加州大學系統(tǒng)、俄羅斯科學院和法國國家科學研究中心年發(fā)表論文數(shù)和占比的總體變化趨勢較為相似,數(shù)量上呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,占比在10%以內上下波動。相對而言,美國加州大學系統(tǒng)發(fā)表論文數(shù)最多,法國國家科學研究中心發(fā)表論文數(shù)最少。

美國航空航天局的年發(fā)表論文數(shù)和占比始終處于全球機構中第一,直至2022年被中國科學院超過。阿波羅計劃時期,年發(fā)表論文數(shù)從1972年的11篇,迅速增長至1973年的峰值63篇,占比從2.5%激增至17.0%,1975年占比達到峰值18.2%。探測平靜階段,年發(fā)表論文數(shù)呈現(xiàn)大幅下降趨勢,占比始終保持在5%～15%之間。從1990年美國重返月球開始,年發(fā)表論文數(shù)又開始呈現(xiàn)逐步上升趨勢,從1991年的57篇增長至2020年最高時的206篇,此后2022年被中國科學院超過。在此期間,占比一直保持在10%～20%之間。

中國科學院年發(fā)表論文數(shù)和占比與中國發(fā)展的趨勢(圖3)是一致的,從嫦娥探月工程實施開始持續(xù)增長,2022年的發(fā)表論文數(shù)已經(jīng)達到了199篇,超過了美國航空航天局,而且從趨勢上看,增長仍然在延續(xù)。

2.5 高產(chǎn)作者

基于數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計高產(chǎn)作者結果見表3,排名前10的作者均來自美國:Head JW、Lucey PG、Taylor LA、Russell CT、Zuber MT、Pieters CM、Robinson MS、Horanyi M、Jolliff BL、Lawrence DJ。從首發(fā)月球論文的時間看,3位作者起步于阿波羅階段(1969～1972年),5位作者起步于重返月球階段(1991～1998年),表明培養(yǎng)頂尖學者一方面需要時間積累,另一方面需要月球探測任務支撐。

2.6 國際合作

從國際合作國家來看(表4),中國在月球科學領域的合作論文最多的十個國家為美國、德國、英國、法國、日本等,其中和美國合作論文數(shù)(452篇)占本國論文數(shù)比例最高,達到14.7%,和荷蘭合作論文數(shù) (47篇) 占本國論文數(shù)比例最低,為1.5%;同時澳大利亞和中國合作的論文數(shù)(59篇)占合作國家發(fā)文數(shù)比例最高,達到8.1%。

美國在月球科學領域的合作論文最多的十個國家為德國、法國、英國、日本、中國等,其中和德國合作論文數(shù)(1023篇)占本國論文數(shù)比例最高,達到8.1%,和澳大利亞合作論文數(shù)(250篇)占本國論文數(shù)比例最低,為2.0%;同時加拿大和美國合作的論文數(shù)(435篇)占合作國家發(fā)文數(shù)比例最高,達到49.8%。

比較有意思的現(xiàn)象是,對于中國而言,合作最多的國家是美國(占14.7%),但是對于美國而言,中國是它合作較少的國家(僅占3.6%)。

中國和美國有八個共同的合作國家,分別是德國、英國、法國、日本、意大利、俄羅斯、澳大利亞和加拿大(圖5)。從合作論文數(shù)看(圖5a),中國與美國之間存在很大差距,例如在與德國的合作過程中,中德合作論文數(shù)為169篇,遠遠落后于美德合作的1023篇,這么明顯的差距主要是中美兩國在總發(fā)表論文數(shù)的差距造成的,美國總發(fā)表論文數(shù)為12644篇,而中國僅有3083篇。從合作論文占本國總論文數(shù)比例(圖5b)來看,中美兩國差距并不算太大,例如:中國有5.5%的論文與德國合作,而美國有8.1%的論文與德國合作?？傮w上,與德國、英國、法國、加拿大的合作,中國相對于美國還是有差距;但是與日本、意大利、俄羅斯和澳大利亞的合作,中國與美國基本相當。

3 詞頻和重要論文聚類分析

3.1 詞頻聚類分析

利用VoSViewer軟件截取關鍵詞詞頻在150次以上的129個關鍵詞,過濾掉Moon、Lunar、Earth、Mars等與天體相關的詞匯,對最終遴選出的112個關鍵詞進行分析,結果見圖6,關鍵詞聚類可以分為5類,因此可以獲得月球科學的5大研究領域:月球空間環(huán)境、月球形成和演化、月球表面物質和揮發(fā)分、月球撞擊歷史和撞擊坑年代學、月球形貌和內部結構(圖6)。

圖6 月球科學領域高頻關鍵詞的網(wǎng)絡節(jié)點大小代表關鍵詞出現(xiàn)頻率的高低Fig.6 Network of high-frequency keywords in lunar science Node size represents the frequency of keyword occurrence

3.2 重要論文聚類分析

利用VoSViewer軟件截取Links值排名前2%的論文共621篇。Links值是論文與數(shù)據(jù)庫內其他論文之間相關度的量化值,即該論文與數(shù)據(jù)庫中其他論文的引用和被引次數(shù)的和,Links值越高,表明該論文與其他論文的相關度越高。Links值高的論文主要是兩類:(1)領域內重要原創(chuàng)發(fā)現(xiàn),被領域內其他論文廣泛引用;(2)領域內綜合性綜述,大量引用領域內文章。本文將Links值排名前2%的論文定義為重要論文。

對621篇重要論文進行聚類分析,結果如圖7所示,揭示了月球科學領域最重要的七大熱點:月球起源和內部水、月表物質組成和地質單元、月表水和揮發(fā)分分布、月球空間環(huán)境和月壤太空風化、月殼形成和演化、月球撞擊歷史和撞擊坑年代學、月球內部結構。

同時,我們分析了論文產(chǎn)出前10國家發(fā)表的重要論文數(shù)(表5)。重要論文數(shù)從高到低依次為美國、法國、德國、英國、日本、瑞士、中國、俄羅斯、加拿大、意大利。其中美國發(fā)表的論文數(shù)和重要論文數(shù)都居第一,而且尤其是重要論文,優(yōu)勢明顯,而我國雖然總論文產(chǎn)出和占比居第二,但重要論文數(shù)僅排到第七位(表5)。

為了進一步說明這個問題,我們計算各國每百篇論文出產(chǎn)重要論文的數(shù)量(表5、圖8),主要分為四檔,第一檔為美國、法國和瑞士,每百篇論文約出產(chǎn)4篇重要論文;第二檔為英國、德國和日本,每百篇論文約出產(chǎn)3篇重要論文;第三檔為加拿大,每百篇論文約出產(chǎn)2篇重要論文;第四檔為俄羅斯、中國和意大利,每百篇論文約出產(chǎn)1篇重要論文。

圖8 月球科學領域排名前10國家每百篇論文出產(chǎn)重要論文數(shù)Fig.8 Number of important articles per 100 articles published by the top 10 countries in lunar science

在全部621篇重要論文中,我國僅有29篇,其中19篇與嫦娥任務相關,包括7篇ESI高被引論文或熱點論文(Cheetal., 2021; Huetal., 2021; Lietal., 2021, 2022; Qianetal., 2021a, b; Tianetal., 2021),全部與嫦娥五號任務相關。

4 我國月球科學研究的現(xiàn)狀和問題

月球科學成果的產(chǎn)出依賴于國家深空探測的工程能力和科學研究水平。過去20年,我國無論是深空探測能力,還是科學研究水平,都取得了長足進步。因此,我國在月球科學研究方面的論文數(shù)量也逐年提升,2013年超越德國,上升至第二位。而且增長趨勢仍然在持續(xù),可以預期在未來幾年能夠超過美國,上升至第一位(圖3)。不過,過去20年,我國所有基礎研究領域的發(fā)表論文數(shù)都呈現(xiàn)大幅增長的趨勢,例如:地質學,我國在2015年就已經(jīng)超過美國,成為第一;至2021年,年發(fā)表論文數(shù)已經(jīng)達到了美國的4倍(圖9)。因此,相對于其他領域而言,我國月球科學領域的成長是較慢的。

與此同時,我國月球科學研究也存在,優(yōu)秀論文少、頂尖學者少、學術期刊少的“三少”問題:

(1)優(yōu)秀論文少。盡管我國發(fā)表的論文數(shù)達到3083篇,僅次于美國占世界第二,但是,重要論文僅有29篇,每百篇論文出產(chǎn)重要論文數(shù)僅有0.9篇,而美國每百篇論文出產(chǎn)重要論文數(shù)高達4.0篇(圖8),有81%的重要論文是美國學者發(fā)表(表5)。

(2)頂尖學者少。截至2022年,發(fā)表論文數(shù)排名前10的作者全部是美國學者(表3),而中國學者沒有上榜,當然這一定程度上與我國在這一領域剛剛起步有關。

(3)學術期刊少。截至2022年,發(fā)表論文數(shù)排名前10的期刊,美國占8個,英國占2個(表1)。值得注意的是,阿波羅11號首次采集月球樣品之后的1970年,Science發(fā)表相關論文174篇(圖2),說明頂級期刊對本國科學發(fā)展有重要的牽引和支撐作用。

因此,未來我國需要加強重要成果產(chǎn)出率、人才隊伍培養(yǎng)和期刊建設等方面的政策激勵和制度建設。

5 月球科學前沿領域研判

文獻計量分析結果可以幫助我們理解月球科學的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢,并為我國未來月球探測和研究的規(guī)劃與組織提供參考。

5.1 月球科學主要領域和熱點問題

關鍵詞聚類和重要論文聚類分析可以識別出月球科學研究的主要領域和熱點問題。關鍵詞分析識別出五大研究領域,重要論文聚類分析識別出七大熱點(表6)。如果考慮二者之間對應關系,“月球起源與內部水”和“月殼形成與演化”屬于“月球形成與演化”領域,“月表物質組成和地質單元”和“月表水和揮發(fā)分分布”屬于“月表物質和揮發(fā)分”領域,因此,關鍵詞聚類和重要論文聚類分析的結果是一致的。

表6 月球科學領域詞頻聚類和重要論文聚類結果對比

通過七大熱點所涵蓋的論文,我們可以梳理出其相關的科學問題:

(1)月球起源與內部水。目前學術界基本認同月球形成于一次大的撞擊事件(Hartmann and Davis, 1975),但是經(jīng)典大撞擊理論仍存在不小的挑戰(zhàn)。主要的爭議集中在撞擊事件的細節(jié)過程,如:撞擊次數(shù)、撞擊角度、撞擊持續(xù)時間等,因為撞擊模型需要解釋月球和地球在很多同位素上的相似性(Locketal., 2020)。另外,Saaletal. (2008)通過研究火山玻璃發(fā)現(xiàn)月球內部并不像過去認為的那么“干燥”,這一顛覆性發(fā)現(xiàn)進一步對大撞擊理論提出了挑戰(zhàn)。到底是怎樣的撞擊過程,既能造成月球和地球相似的同位素組成,又能讓月球保留足夠高的水和揮發(fā)分含量,仍然是未來月球科學最熱點的問題之一。

(2)月殼形成與演化?；诎⒉_11號返回的月球樣品, Woodetal. (1970)提出了巖漿洋模型解釋斜長巖月殼的成因,自此拉開了月殼形成與演化研究的序幕。月殼可以簡單分為高地和月海,它們分別對應了兩個過程:巖漿洋演化和月海玄武巖噴發(fā),二者都與月球的熱演化歷史相關(Sheareretal., 2006)。盡管經(jīng)過了50多年研究,該領域仍然存在很多未解之謎:巖漿洋的規(guī)模多大?持續(xù)多久?月幔翻轉是否發(fā)生?其多大規(guī)模?對月幔造成怎樣的影響?月球火山活動起始和結束時間?其何以持續(xù)如此之久?等等。

(3)月表物質組成和地質單元。盡管在阿波羅時代就已經(jīng)對月球開展了遙感地質的研究(McCordetal., 1972),但是真正改變這一領域研究范式的是1994年發(fā)射的克萊門汀號(Nozetteetal., 1994; Robinson and Riner, 2005),其精細揭示了月殼的復雜性以及阿波羅采樣的局限性。此后的一系列探測器月船1號、月亮女神號、月球勘測軌道飛行器以及我國的嫦娥一號和嫦娥二號,不僅幫助我們識別新的月表物質和地質單元,而且為巡視探測和采樣返回任務著陸點的選取提供了關鍵依據(jù)。

(4)月表水和揮發(fā)分分布。從Watsonetal. (1961)提出月球極區(qū)永久陰影區(qū)可能存在水冰的猜測,到1994年克萊門汀號雙基雷達實驗發(fā)現(xiàn)月球極區(qū)可能存在水冰(Nozetteetal., 1996),到2010年LCROSS撞月實驗證實月球極區(qū)存在水冰(Colapreteetal., 2010; Schultzetal., 2010),到今天世界各航天強國都計劃對月球南極開展水冰探測。月球極區(qū)水冰如何分布?來源于哪里?這不僅是重要的科學問題,也關乎到未來月面長期駐留的水資源提取和利用,這一問題,毫無疑問,仍將是未來月球探測最重要的方向。

(5)月球撞擊歷史和撞擊坑年代學。月球是研究內太陽系撞擊歷史的天然實驗室,它表面布滿了撞擊坑,記錄了其形成以來所遭受的小行星撞擊歷史(Stoffleretal., 2006)。由于小行星撞擊的強度和頻率總體上隨時間是降低的,因此撞擊坑分布密度可用于年齡測定(Neukumetal., 2001)。由于阿波羅樣品主要采集自30～40億年,因此撞擊坑年代學對于更老的或更年輕的地質單元的定年精度尚有待提高(Brasseretal., 2020; Williamsetal., 2018),而且是否存在39億年大撞擊事件也仍然存在爭議(Bottke and Norman, 2017)。

(6)月球內部結構。阿波羅時代采集的月震數(shù)據(jù)僅對月球的宏觀內部結構有了一定的約束,但其精度和準確度受到儀器性能的限制,尤其是對深部月幔和月核的結構基本沒有約束(Garciaetal., 2019; Wieczoreketal., 2006)。除了最近通過GRAIL獲得重力數(shù)據(jù)計算全月平均月殼厚度在34～43km外(Wieczoreketal., 2013),幾十年以來,對于月球結構的認識基本沒有進展(Garciaetal., 2019)。只有在月面不同區(qū)域布設足夠數(shù)量的高精度月震儀,未來才有可能在這個問題上取得重大突破。

(7)月球空間環(huán)境和月壤太空風化。由于沒有內稟磁場的保護,月球運行中太陽輻射、太陽風和宇宙線均可直接到達月面,與月壤、月表剩磁相互作用,形成特有的近月面空間環(huán)境(Futaanaetal., 2018)。這種相互作用涵蓋的科學問題包括:太空風化如何改造月壤(Pieters and Noble, 2016)?月球上渦旋狀的亮斑如何形成(Walleretal., 2022)?月球內稟磁場何時消失?為何消失(Weiss and Tikoo, 2014)?月表電場如何影響塵埃和帶電粒子的遷移(Zakharovetal., 2020)?等等。

5.2 對我國未來月球探測和研究的啟示

通過梳理月球科學研究的熱點,我們提出未來月球探測和研究可能形成重大突破的三個方面:

(1)月球的水仍將是國際月球探測和研究的重點。月球的水和揮發(fā)分幾乎與月球所有前沿科學問題都相關,主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面是月球內部的水和揮發(fā)分,它與月球的大撞擊成因、巖漿洋演化、月海玄武巖噴發(fā)都密切相關;另一方面是月球表面的水和揮發(fā)分,它可能來源于小行星或彗星撞擊攜帶,也可能來自于太陽風的注入,與月表空間環(huán)境和撞擊歷史密切相關。因此,月球的水必然還將是國際月球探測和研究的重點。

(2)月球內部結構探測或是我國彎道超車的機遇。如前所述,幾十年以來,對于月球結構的認識基本沒有進展,這主要是因為,阿波羅時代之后,月球表面再也沒有布設過月震儀。而我國未來月球探測任務,如嫦娥七號、嫦娥八號等,都將在月面布設月震儀(王赤等, 2022)。如果能在月面多點布設高精度月震儀,我國將很可能在月球內部結構方面取得科學上的重大突破。

(3)新的樣品將進一步揭示月球形成和演化的奧秘。1990年以來的重返月球主要以遙感探測為主,這些探測揭示了月殼的復雜性,以及阿波羅和月球號采樣的局限性,月球表面還有很多新發(fā)現(xiàn)的物質從未被采樣。在阿波羅和月球號之后,時隔44年的嫦娥五號任務,在月球年輕火山活動時間與機制方面取得重大突破(Cheetal., 2021; Huetal., 2021; Lietal., 2021; Tianetal., 2021)。可以預期,未來我國采集的新的月球樣品,將為我們認識月球形成和演化打開新的窗口。

此外,通過新的月球探測任務,在月面不同著陸區(qū)進行更立體化和全方位的科學探測是實現(xiàn)上述突破的前提和基礎。

6 結論

本文利用文獻計量學方法,定量研究了月球科學領域的論文產(chǎn)出數(shù)量、學科和期刊分布、各主要國家和機構的競爭力、研究領域和熱點、國際合作等現(xiàn)狀,獲得如下結論:

(1)隨著嫦娥工程的開展,過去20年,我國月球科學研究論文數(shù)量逐年提升,2013年超越德國,上升至第二位,至2022年,增長趨勢仍然在持續(xù),預期在未來幾年能夠超越美國,上升至第一位。但是,仍然存在優(yōu)秀論文少、頂尖學者少、學術期刊少的“三少”問題。未來我國仍需在重要成果產(chǎn)出、人才隊伍培養(yǎng)和期刊建設等方面加強政策激勵和制度建設。

(2)關鍵詞聚類分析識別出五大研究領域:月球空間環(huán)境、月球形成和演化、月球表面物質和揮發(fā)分、月球撞擊歷史和撞擊坑年代學、月球形貌和內部結構。重要論文聚類分析識別出月球科學領域七大熱點:月球起源和內部水、月表物質組成和地質單元、月表水和揮發(fā)分分布、月球空間環(huán)境和月壤太空風化、月殼形成和演化、月球撞擊歷史和撞擊坑年代學、月球內部結構。

(3)未來月球科學可能在三個方向形成突破:月球的水仍將是國際月球探測和研究的重點;月球內部結構探測或是我國彎道超車的機遇;新的樣品將進一步揭示月球形成和演化的奧秘。

致謝感謝任勝利博士及另外一位審稿人對本文提出的建設性意見和建議。