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(xué)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(nèi)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(xué)研究從調(diào)查跟蹤研究逐步向自主探索轉(zhuǎn)變,吸引了大量其他領(lǐng)域研究者參與到月球科學(xué)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(wù)完成我國首次地外天體采樣,將我國月球科學(xué)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(xué)家在月壤性質(zhì)與物質(zhì)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(xué)術(shù)界引起了廣泛的關(guān)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(qū)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(wù)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(shè)國際月球科研站(裴照宇等, 2020)。如何在未來月球探測任務(wù)中最大化實現(xiàn)科學(xué)新發(fā)現(xiàn),是擺在我國月球與行星科學(xué)研究者面前的新的歷史使命。因此,研判月球科學(xué)前沿領(lǐng)域,調(diào)研我國在該領(lǐng)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(guān)重要。

本文基于科學(xué)引文索引系統(tǒng)Science Citation Index(SCI)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫Web of Science(WoS)的數(shù)據(jù),利用文獻計量學(xué)方法(丁潔蘭等, 2021; 任勝利等, 2023),定量研究了月球科學(xué)領(lǐng)域的論文產(chǎn)出數(shù)量、學(xué)科和期刊分布、各主要國家和機構(gòu)的競爭力、研究領(lǐng)域和熱點、國際合作等現(xiàn)狀,并梳理出月球科學(xué)前沿研究領(lǐng)域,總結(jié)我國在該領(lǐng)域的現(xiàn)狀和不足。本研究結(jié)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(xué)是圖書情報學(xué)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(xué)、統(tǒng)計學(xué)等計量方法,評價科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀并預(yù)測其發(fā)展趨勢(邱均平, 1988)。采用文獻計量學(xué)理論和方法,對科學(xué)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(quán)威的、高影響力的學(xué)術(shù)期刊,內(nèi)容涵蓋自然科學(xué)、工程技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、社會科學(xué)、藝術(shù)與人文等領(lǐng)域,最早回溯至1900年,是當前學(xué)術(shù)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(xué)科類別選項中過濾掉人文社科、藝術(shù)、生物、醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)、海洋科學(xué)等,因為這些類別里的論文基本與月球科學(xué)本身無關(guān),而是關(guān)于地球生物、疾病、文化、習(xí)俗可能受到月相的影響等。余下的自然科學(xué)、工程技術(shù)以及相關(guān)交叉學(xué)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(chǔ)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(xué)科、期刊、國家、機構(gòu)、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(chǔ)數(shù)據(jù),導(dǎo)入VoSViewer軟件(Van Eck and Waltman, 2009) 進行詞頻聚類分析,截取關(guān)鍵詞詞頻在150次以上的129個關(guān)鍵詞,過濾掉Moon、Lunar、Earth、Mars等與天體相關(guān)的詞匯,把最終遴選出的112個關(guān)鍵詞定義為高頻關(guān)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(jié)果,梳理出月球科學(xué)的主要研究領(lǐng)域和熱點問題,總結(jié)國際、國內(nèi)月球科學(xué)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(xué)領(lǐng)域論文產(chǎn)出排名前十的學(xué)科、期刊、國家、機構(gòu)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(xué)科、期刊、國家、機構(gòu)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(xué)領(lǐng)域論文產(chǎn)出排名前10的學(xué)科和期刊

表2 月球科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)排名前10的國家和機構(gòu)

表4 月球科學(xué)領(lǐng)域與中國和美國合作的國家

圖1 1962～2022年月球科學(xué)領(lǐng)域4個代表性學(xué)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(xué)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域5個代表性機構(gòu)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(xué)領(lǐng)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(xué)科

月球探測和研究推動了幾乎所有自然科學(xué)學(xué)科的發(fā)展,而影響最大的,即月球科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)出排名前十的學(xué)科依次是:天文學(xué)與天體物理學(xué)、地球化學(xué)與地球物理學(xué)、地球科學(xué)綜合、自然科學(xué)綜合、航空航天工程學(xué)、氣象與大氣科學(xué)、電子與電氣工程、物理學(xué)綜合、遙感科學(xué)、影像科學(xué)與攝影技術(shù)(表1)。本文選取天文學(xué)與天體物理學(xué)、地球化學(xué)與地球物理學(xué)、航空航天工程學(xué)和遙感科學(xué)4個代表性學(xué)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(xué)與天體物理學(xué)、地球化學(xué)與地球物理學(xué)及航空航天工程學(xué)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(guān),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(xué)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(xué)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(xué)與天體物理學(xué)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(xué)與地球物理學(xué)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(xué)與地球物理學(xué)的支撐。

遙感科學(xué)的變化趨勢與以上3個學(xué)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(xué)相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用有關(guān)(羅玲等, 2018);另一方面,與包括嫦娥工程在內(nèi)的越來越多的無人探測任務(wù)有關(guān)(李春來等, 2021)。

2.2 期刊

在月球科學(xué)領(lǐng)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(xué)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(xué)術(shù)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(cè)面說明在較長時間內(nèi)月球科學(xué)領(lǐng)域有影響力的學(xué)術(shù)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(guān)。

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?qū)eochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters的影響有限。

2.3 國家

在月球科學(xué)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)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(nèi)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(gòu)

在月球科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)排名前10的機構(gòu)是:美國航空航天局、美國加州大學(xué)系統(tǒng)、美國加州理工學(xué)院、烏迪斯-法國研究型大學(xué)聯(lián)盟、中國科學(xué)院、俄羅斯科學(xué)院、美國航空航天局噴氣推進實驗室、法國國家科學(xué)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(xué)(表2)。發(fā)表論文數(shù)前十的機構(gòu)美國占據(jù)六席,本文選取美國航空航天局、美國加州大學(xué)系統(tǒng)、法國國家科學(xué)研究中心、中國科學(xué)院和俄羅斯科學(xué)院進行對比分析(圖4)。

從圖4總體趨勢看,美國加州大學(xué)系統(tǒng)、俄羅斯科學(xué)院和法國國家科學(xué)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(nèi)上下波動。相對而言,美國加州大學(xué)系統(tǒng)發(fā)表論文數(shù)最多,法國國家科學(xué)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(gòu)中第一,直至2022年被中國科學(xué)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(xué)院超過。在此期間,占比一直保持在10%～20%之間。

中國科學(xué)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(jié)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(xué)者一方面需要時間積累,另一方面需要月球探測任務(wù)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(xué)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)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(guān)鍵詞詞頻在150次以上的129個關(guān)鍵詞,過濾掉Moon、Lunar、Earth、Mars等與天體相關(guān)的詞匯,對最終遴選出的112個關(guān)鍵詞進行分析,結(jié)果見圖6,關(guān)鍵詞聚類可以分為5類,因此可以獲得月球科學(xué)的5大研究領(lǐng)域:月球空間環(huán)境、月球形成和演化、月球表面物質(zhì)和揮發(fā)分、月球撞擊歷史和撞擊坑年代學(xué)、月球形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖6)。

圖6 月球科學(xué)領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大小代表關(guān)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(nèi)其他論文之間相關(guān)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(guān)度越高。Links值高的論文主要是兩類:(1)領(lǐng)域內(nèi)重要原創(chuàng)發(fā)現(xiàn),被領(lǐng)域內(nèi)其他論文廣泛引用;(2)領(lǐng)域內(nèi)綜合性綜述,大量引用領(lǐng)域內(nèi)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(jié)果如圖7所示,揭示了月球科學(xué)領(lǐng)域最重要的七大熱點:月球起源和內(nèi)部水、月表物質(zhì)組成和地質(zhì)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(xué)、月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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(xué)領(lǐng)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(wù)相關(guān),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(wù)相關(guān)。

4 我國月球科學(xué)研究的現(xiàn)狀和問題

月球科學(xué)成果的產(chǎn)出依賴于國家深空探測的工程能力和科學(xué)研究水平。過去20年,我國無論是深空探測能力,還是科學(xué)研究水平,都取得了長足進步。因此,我國在月球科學(xué)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(yù)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(chǔ)研究領(lǐng)域的發(fā)表論文數(shù)都呈現(xiàn)大幅增長的趨勢,例如:地質(zhì)學(xué),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(lǐng)域而言,我國月球科學(xué)領(lǐng)域的成長是較慢的。

與此同時,我國月球科學(xué)研究也存在,優(yōu)秀論文少、頂尖學(xué)者少、學(xué)術(shù)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(xué)者發(fā)表(表5)。

(2)頂尖學(xué)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(xué)者(表3),而中國學(xué)者沒有上榜,當然這一定程度上與我國在這一領(lǐng)域剛剛起步有關(guān)。

(3)學(xué)術(shù)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(guān)論文174篇(圖2),說明頂級期刊對本國科學(xué)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(shè)等方面的政策激勵和制度建設(shè)。

5 月球科學(xué)前沿領(lǐng)域研判

文獻計量分析結(jié)果可以幫助我們理解月球科學(xué)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(xué)主要領(lǐng)域和熱點問題

關(guān)鍵詞聚類和重要論文聚類分析可以識別出月球科學(xué)研究的主要領(lǐng)域和熱點問題。關(guān)鍵詞分析識別出五大研究領(lǐng)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(yīng)關(guān)系,“月球起源與內(nèi)部水”和“月殼形成與演化”屬于“月球形成與演化”領(lǐng)域,“月表物質(zhì)組成和地質(zhì)單元”和“月表水和揮發(fā)分分布”屬于“月表物質(zhì)和揮發(fā)分”領(lǐng)域,因此,關(guān)鍵詞聚類和重要論文聚類分析的結(jié)果是一致的。

表6 月球科學(xué)領(lǐng)域詞頻聚類和重要論文聚類結(jié)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(guān)的科學(xué)問題:

(1)月球起源與內(nèi)部水。目前學(xué)術(shù)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(nèi)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(xué)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(yīng)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(guān)(Sheareretal., 2006)。盡管經(jīng)過了50多年研究,該領(lǐng)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(zhuǎn)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(jié)束時間?其何以持續(xù)如此之久?等等。

(3)月表物質(zhì)組成和地質(zhì)單元。盡管在阿波羅時代就已經(jīng)對月球開展了遙感地質(zhì)的研究(McCordetal., 1972),但是真正改變這一領(lǐng)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(fù)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(zhì)和地質(zhì)單元,而且為巡視探測和采樣返回任務(wù)著陸點的選取提供了關(guān)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(xué)問題,也關(guān)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(xué)。月球是研究內(nèi)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(xué)對于更老的或更年輕的地質(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。阿波羅時代采集的月震數(shù)據(jù)僅對月球的宏觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的認識基本沒有進展(Garciaetal., 2019)。只有在月面不同區(qū)域布設(shè)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(nèi)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(xué)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(nèi)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(xué)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(xué)問題都相關(guān),主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面是月球內(nèi)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(guān);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(guān)。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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)過月震儀。而我國未來月球探測任務(wù),如嫦娥七號、嫦娥八號等,都將在月面布設(shè)月震儀(王赤等, 2022)。如果能在月面多點布設(shè)高精度月震儀,我國將很可能在月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面取得科學(xué)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(fù)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(zhì)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(wù),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(yù)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(wù),在月面不同著陸區(qū)進行更立體化和全方位的科學(xué)探測是實現(xiàn)上述突破的前提和基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

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

(1)隨著嫦娥工程的開展,過去20年,我國月球科學(xué)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(yù)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(xué)者少、學(xué)術(shù)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(shè)等方面加強政策激勵和制度建設(shè)。

(2)關(guān)鍵詞聚類分析識別出五大研究領(lǐng)域:月球空間環(huán)境、月球形成和演化、月球表面物質(zhì)和揮發(fā)分、月球撞擊歷史和撞擊坑年代學(xué)、月球形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。重要論文聚類分析識別出月球科學(xué)領(lǐng)域七大熱點:月球起源和內(nèi)部水、月表物質(zhì)組成和地質(zhì)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(xué)、月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(3)未來月球科學(xué)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)性意見和建議。