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撞击作用是月球表面物质混合的重要地质过程,是控制月壤形成和演化的重要因素。高压矿物作为撞击事件的重要记录者,对限定岩石受冲击的温压条件及反演撞击坑的大小有重要意义。但是,月球返回样品和月球陨石中较少发现高压矿物相,限制了通过月球样品反演月表撞击过程的研究。中国科学院比较行星学卓越创新中心成员、中科院地球化学研究所杜蔚团队及其合作者在嫦娥五号月壤样品中发现了共生的二氧化硅的高压相——赛石英和斯石英。通过研究赛石英、斯石英、似α-方石英的二氧化硅相及二氧化硅玻璃的形态特征及分布规律,推断赛石英和斯石英形成机制为固固相转变;受撞击过程的动力学控制,赛石英作为亚稳相在较低压条件下出现,随温度的升高部分赛石英转变为斯石英,因此,该二氧化硅碎屑记录了一次月表撞击事件的升压和紧随其后的升温和降压过程。通过其形成的温压条件结合撞击条件模拟计算,研究推测该二氧化硅碎屑可能来自嫦娥五号采样区南面的Aristarchus撞击坑。该研究是首次在月球返回样品中确认发现赛石英,为前人通过遥感数据分析提出的嫦娥五号采样区存在远处撞击坑溅射物的观点提供了重要证据。月球表面遍布形态多样和大小不一的撞击坑,表明其在演化过程中遭受了频繁撞击(图1)。地球和月球所处的空间位置相近,研究月球的撞击历史不仅是月球科学的重要课题,也是窥探地球撞击历史的重要窗口。自然界中的高压矿物主要形成于行星深部或宇宙天体撞击的高温高压环境,因此,研究高压矿物的成分、结构及其形成过程对认识行星内部物质组成和撞击过程有重要科学意义。尽管月球陨石和月球返回样品保存了月表物质遭受撞击的记录,但是月球样品中发现的高压矿物较少。迄今为止,在月球陨石中只观察到橄榄石的高压相(林伍德石和瓦兹利石)、二氧化硅的高压相(柯石英、斯石英和赛石英)、锆石的高压相(雷锆石)、钙硬玉以及新的含钙铝的高压矿物Donwilhelmsite(CaAl4Si2O11)。此外,尽管美国和前苏联返回了数量较多的月球样品且已进行了长达五十年的研究,其中却少见关于高压矿物的报道,目前仅在一块阿波罗角砾岩(15299)中发现过斯石英和疑似赛石英的二氧化硅相(Kaneko et al., 2015)。赛石英(α-PbO2结构)和斯石英(金红石型结构)作为两个重要的二氧化硅超高压相,在固体化学、地球物理以及行星科学等领域具有重要研究价值。斯石英在受冲击陨石(普通球粒陨石、火星陨石、月球陨石、灶神星陨石等)中较为常见,其形成机理相对清晰;而赛石英仅在几块火星陨石和一块月球陨石中发现,其形成机制未得到充分认识。此外,高温高压实验和理论计算显示,赛石英的稳定压力较高(>100 GPa),因此常被当成超高压的指示矿物。然而,自然界中能产生如此高冲击压力的撞击事件十分罕见。特别是考虑到赛石英的热稳定性较差,而高冲击压力往往伴随较高的温度,因此,赛石英的出现能否指示超大撞击事件有待商榷,陨石中斯石英和赛石英的共存机理仍不清楚。相比于月球陨石来源的不确定性,月球返回样品具有明确的月面坐标等信息,因此在反演月表撞击过程中具有不可替代的优势。嫦娥五号返回的月壤样品为反演月表撞击过程的研究提供了重要样品。初步研究表明,嫦娥五号样品主要由玄武岩组成并含有一定量的冲击熔融角砾,后者是月表经历多次撞击的物证,可能包含来自较远撞击坑的溅射物(Qian et al., 2021)。这些溅射物可能具有不同于嫦娥五号采样区域岩石的特征(如岩性、年龄等),对丰富月球的物质组成和地质过程的认识有重要作用,而寻找其中的高压矿物可为溅射物溯源提供线索。遥感探测研究可在大尺度上提供嫦娥五号着陆区撞击溅射物的分布和来源等信息,而对返回样品进行细致研究可为上述信息提供实证。科研人员在一块嫦娥五号月壤粉末光片(编号CE5C0800YJFM00101GP)中发现了二氧化硅的两种高压相——赛石英和斯石英,这是首次在地外返回样品中发现赛石英。赛石英和斯石英出现在一块二氧化硅碎屑中(图2),与之共存的还有似α-方石英的二氧化硅相及二氧化硅玻璃。其中,赛石英和斯石英(图2和图3)均被不定形态的二氧化硅叶片有规律地切割,形成不同形式的格子结构(赛石英为近直角四边形;斯石英为近六边形),指示了它们的形成机制为固态相转变。透射电镜显微结构分析结果指示,赛石英和似α-方石英的二氧化硅相之间存在一定的结晶学取向关系,推测α-方石英为二者固态相转变前的母体矿物,斯石英可能由赛石英转变而来。此外,根据赛石英和斯石英的TTT曲线(图4),结合赛石英、斯石英、似α-方石英的二氧化硅相和二氧化硅玻璃的分布比例,可以估算α-方石英转变为赛石英,赛石英转变为斯石英的转化率分别为~10–50%和20%。赛石英和斯石英稳定共存的温压区间为~50–90 GPa和~500–2500 K,但是赛石英易受到冲击热效应破坏(>1100 K),因此不太可能形成于较大冲击压力域。参考有赛石英的月球陨石和火星陨石经历的冲击压力条件,形成本样品中赛石英和斯石英的冲击压力应不超过40 GPa。此外,根据前人研究的高温高压实验结果,赛石英可在低至11 GPa的条件下由α-方石英的中间相方石英X-I转变形成,并且在温度升至900 K左右时,赛石英可继续转变为斯石英。因此,赛石英和斯石英共存的压力下限约为11 GPa。利用限定的冲击压力范围(11–40 GPa),研究估算形成赛石英和斯石英的撞击坑的直径为~3–32 km。考虑到撞击坑计算中参数选择的不确定性,包括撞击角度和撞击坑内存在的压力梯度等,该范围值应为撞击坑直径的下限。结合前人遥感观测及对嫦娥五号着陆点物源分析结果,Mairan G(直径~6 km,年龄480±50 Ma)、Aristarchus(~40 km,280 Ma)、Harpalus(~40 km,490±60 Ma)和Copernicus(~94 km,~796 Ma)撞击坑均可能是赛石英和斯石英的来源坑。但考虑到赛石英和斯石英具有较低的热稳定性,它们的源坑形成越年轻,赛石英和斯石英受到后期热扰动的概率越小,其保存可能性越高。因此,在此嫦娥五号样品中发现的赛石英和斯石英最有可能来自于Aristarchus撞击坑。该工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、民用航天预先研究项目、中科院重点部署项目以及中国博士后科学基金的资助,国家航天局提供了嫦娥五号样品。  论文链接图1.(a)嫦娥五号着陆点、Mairan G、Aristarchus、Harpalus和Copernicus撞击坑位置;(b)撞击坑形成示意图  图2.嫦娥五号月壤样品中含赛石英(Sft)和斯石英(Sti)的二氧化硅碎屑(背散射电子图像);α-Crs-like phase:似α-方石英的二氧化硅相Pl:长石;Px:辉石图3.赛石英的透射电子显微镜的明场像(a、c和e)和选区电子衍射花样(b、d和f)图4.赛石英和斯石英的时间-温度-转变TTT(Time-Temperature-Transformation)曲线,修改自Kubo et al. (2015)来源: 地球化学研究所

青托工程

  张永海,博士,西安交通大学化学工程与技术学院副教授,博导。主要从事功率器件强化换热技术开发与应用研究。托举期间主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、中欧载人航天合作空间应用合作项目等科研项目6项;第一或通讯作者发表国际期刊论文11篇,会议论文10篇;第一作者申请发明专利16项,授权10项;做大会邀请报告5次;担任2018年第十三届国际天地两相应用系统会议秘书长,获第十三届国际天地两相应用系统会议最佳报告奖;20余个国内外著名期刊审稿人。2019年当选中国空间科学学会微重力青年委员会副主任委员,2021年任西安交通大学化工学院传递过程强化研究所副所长,2021年获丝绸之路能源化工国际产学研用成果奖二等奖。 控制“气泡”,带走热量 张永海,博士,副教授,博导,主要从事功率器件强化换热技术开发与应用研究。2018年入选中国科协第四届青年人才托举工程,2019年当选中国空间科学学会微重力青年委员会副主任委员,2021年任西安交通大学化工学院传递过程强化研究所副所长。近五年主持国家级项目3项,省部级及其他项目10项。共发表高水平论文30余篇,申请发明专利23项,授权16项,做大会邀请报告8次。目前为中国空间科学协会会员、中国工程热物理学会会员、中国力学学会会员,20余个国内外著名期刊审稿人。沸腾换热是一种非常高效的换热方式,无论在地面常重力环境还是空间微重力环境下都有十分重要和广泛的应用。然而,重力水平的改变使得地面上可行的多数强化沸腾换热技术难以适用于空间微重力条件。我国已经进入载人空间站时代,随着新一代电子器件的发展,提高微重力下两相热管理系统效率、安全性及可靠性,是国家重大战略需求。因此,揭示沸腾换热机理,开发适用于微重力下的强化沸腾换热技术,突破现有热管理技术瓶颈,对于我国近空国防预警、航空航天、深空探测等领域的发展意义非凡。我国微重力沸腾研究资源有限且起步较晚,同时国内外关于微重力下强化沸腾换热研究的报道很少,虽然国外关于外加电场、声场等强化方法曾有提及,但国内未见相关报道。张永海及所在团队自2010年开始利用国家微重力实验室落塔平台从事微重力强化池沸腾换热研究;2015年获批国家自然科学基金青年项目开展微重力微结构强化流动沸腾换热研究;2019年获批国家自然科学基金面上项目开展微重力薄膜蒸发-沸腾相变强化换热研究,同年所在团队获批中欧载人航天合作空间应用合作项目,并在项目支持下与意大利比萨大学Paolo Di Marco团队合作完成电场+微结构强化沸腾换热抛物线飞行实验研究;2020年张永海所在团队获批中国空间站工程空间应用系统第二批科学实验项目,即将开展长时微重力强化沸腾换热研究。十年来张永海及所在团队一直从事微重力强化沸腾换热研究,揭示微重力强化沸腾换热机理,开发高效强化沸腾换热表面微结构技术,并取得了一系列成果。针对微重力下由于浮力缺失导致换热性能严重恶化的难题,自主开发具有强毛细泵吸补液机制的柱状微结构表面,利用中国科学院力学研究所国家微重力实验室百米落塔进行了短时微重力条件下过冷核态池沸腾换热实验研究,揭示微重力下强化沸腾换热关键机制,突破沸腾严重恶化难题。值得一提的是自主开发柱状微结构临界热流密度在微重力条件下约为光滑表面的3倍,解决了微重力下由于浮力缺失导致沸腾严重恶化的难题。此外,考虑柱状微结构表面底部小汽泡群对主汽泡存在拖拽作用,从而对表面张力进行改进,并考虑过冷度对汽泡体积的影响,建立了柱状微结构表面汽泡脱离修正模型,并能够更好地预测中高热流密度下汽泡的脱离半径,克服传统力平衡模型缺陷。针对载人航天热管理设备在极端微重力环境下面临的挑战,为了获得更高的换热系数和临界热流密度以适用于空间热管理系统,研究者们逐渐把微重力下两相换热的研究重点从池沸腾转移到流动沸腾上。然而,到目前为止关于微重力流动沸腾换热实验研究还很少,导致了基础数据的匮乏,阻碍了两相流动及换热在空间系统中的发展及应用。张永海及团队自主开发地面模拟微重力流动沸腾实验装置,解决了微重力资源匮乏难题。基于汽泡脱离和滑移调控机制,发展了一种微重力流动沸腾临界热流密度的模拟方法,微重力下流动沸腾CHF可通过地面对应条件下加热面方向为135°和315°测得的CHF组成的区间来近似。该方法通过落塔实验进行了验证,落塔实验结果与地面模拟实验结果吻合很好,解决了由于空间资源有限且昂贵而难以开展实验获取有效数据的难题,相关结果发表在International Journal of Multiphase Flow上。张永海在中国科协第四届青年人才托举工程支持下,在科研方面取得了长足的进步,获批主持科研项目6项,包括国家重点研发计划子课题1项,国家自然科学基金面上项目1项,中欧载人航天合作空间应用合作项目1项,陕西省重点研发计划1项,陕西省自然科学基础研究计划1项,中国博士后科学基金面上项目1项。第一或通讯作者发表国际期刊论文11篇,会议论文10篇,第一作者申请发明专利16项,授权10项,做大会邀请报告5次,2018年获第十三届国际天地两相应用系统会议最佳报告奖,2019年承办中国空间科学学会微重力青年委员会第一届微重力科学青年论坛。2021年获丝绸之路能源化工国际产学研用成果奖二等奖。   

党建强会

   为庆祝中国共产党成立100周年,持续深入开展党史学习教育,中国空间科学学会党委联合中国科学院国家空间科学中心党委,于2021年7月13日组织开展了专题党史学习教育活动,由学会理事长、党委书记、中国科学院国家空间科学中心吴季研究员作题为“守初心、担使命,发展空间科学,建设航天强国”的主题报告。在报告中,吴季研究员阐述了关于“为什么学党史”和“从党的历史中学习什么”的主要内容,包括中国共产党为什么“能”、马克思主义为什么“行”、中国特色社会主义为什么“好”,以及为什么要坚持科技发展的自立自强,特别是党中央关于实现高水平科技自立自强的战略发展要求;系统回顾了中国航天及空间科学事业从零起步到“两弹一星”成功发射,以及一系列空间科学重大任务成功实施,取得举世瞩目非凡成就而走过的一段自力更生、自主创新的发展道路;对未来中国空间科学的发展前景进行了展望。本次活动采取线上、线下相结合的方式,并开展了会后的提问交流互动。通过本次党课学习,使得空间科学领域科研人员进一步了解了我国空间科学事业的发展历史与进程,深刻领悟以艰苦奋斗、勇于探索、开拓创新为内核的“两弹一星”精神、载人航天精神和探月精神的科学内涵;同时,也激励广大党员,积极响应党中央和国家号召,不忘初心、牢记使命,发展空间科学,坚持自主创新和科技自立自强,推动我国空间科学事业取得长足进步与发展,为建设航天强国、科技强国,实现中国共产党第二个百年奋斗目标,进而实现中华民族伟大复兴的中国梦而贡献更大力量!