月球表面「生鏽了」,而參與反應的氧氣和水來自哪裡呢?

2021-01-15 騰訊網

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雖然我們的月球沒有空氣，但研究表明，月球表面存在化學成分為三氧化二鐵（Fe2O3）的赤鐵礦，這是一種通常需要氧氣和水才會形成的鐵鏽形式，這讓科學家感到困惑不已。

1973年，NASA的水手10號（Mariner 10）所觀測到的月球，在當時，研究還沒有在月球沒有空氣的表面上發現任何生鏽的跡象。

圖片來源：NASA/噴氣推進實驗室/西北大學（Northwestern University）

長期以來，以鐵鏽文明的是火星。火星表面上的鐵，再加上古代曾經存在過的水和氧氣，賦予了火星紅色的外表。但是，科學家最近驚訝地發現，有證據表明表面沒有空氣的月球也「生鏽」了。

《科學進展》（Science Advances）上的一篇新論文回顧了印度空間研究組織（IndianSpace Research Organization，ISRO）的月船一號（Chandrayaan-1）軌道探測器的數據，這架軌道器在2008年對月球表面進行調查時發現了水冰可能存在的證據，並繪製出了多種礦物質位置圖。論文的主要作者、來自夏威夷大學（University of Hawaii）的李帥（音譯，Shuai Li）研究後發現，月船一號上的月球礦物質測繪儀（Moon Mineralogy Mapper，M3）的數據中，存在著大量水的跡象。月球礦物質測繪儀由美國航空航天局（NASA）位於南加州的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所建造。水與巖石相互作用會產生多種礦物質，M3檢測到的光譜，或者說從月球表面反射的光，表明月球兩極的組成與其餘部分完全不同。

印度空間研究組織月船一號軌道飛行器上的月球礦物制測繪儀（M3），合成了上面這張圖像，圖中的藍色區域顯示，水集中在月球的兩極。仔細分析兩極的巖石光譜後，研究人員發現了赤鐵礦，也就是一種鐵鏽形式的跡象。

圖片來源：ISRO/NASA/加州理工-噴氣推進實驗室/布朗大學（Brown University）/美國地質調查局（United States Geological Survey，USGS）

對於這一點，李帥非常感興趣，他將目光集中到月球的兩極光譜。儘管富含鐵的巖石在月球表面四處散布，但在發現月球兩極的光譜數據與赤鐵礦如此匹配時，他仍然感到驚訝不已。赤鐵礦是鐵暴露在氧氣和水中產生的一種鐵的氧化物，也就是鐵鏽的一種形式，但在月球上應該是不會有氧氣或者液態水的，它究竟是怎麼生鏽的呢？

月球金屬之謎

要解開這個謎團，一切還得從太陽風（solar wind）說起。太陽風是從太陽上層大氣中射出的超高速等離子體帶電粒子流，以氫氣為主要成分轟擊著地球和月球。氫氣的存在會讓赤鐵礦難以形成，因為它是一種還原劑，在化學反應中通常會被相互作用的原子奪去電子，而這恰恰與產生赤鐵礦的反應原理相反：為了讓鐵生鏽，需要有一種氧化劑奪去鐵原子的電子。對於地球而言，我們擁有強大的地球磁場將太陽風中的氫氣隔絕在外，但月球卻沒有這樣的保護罩。

「這令人非常困惑，」李帥表示，「月球的環境非常不利於赤鐵礦的形成。」因此，他找到了JPL的科學家阿比蓋爾·弗雷曼（Abigail Fraeman）和維維安·孫（Vivian Sun），幫他梳理分析M3的數據，並確認他真的在月球兩極發現了赤鐵礦。

「一開始的時候，我是完全不相信的態度。考慮到月球的環境，它（赤鐵礦）是不應該存在的。」弗雷曼說，「但是自從我們在月球上發現了水之後，人們就一直在猜測，如果水與巖石發生過反應，那麼月球上可能存在著比我們所想像的更多的礦物質。」

在仔細的觀察和分析後，弗雷曼和孫確信：M3的數據的確表明月球兩極是存在赤鐵礦。孫說：「最後，光譜數據明確的體現了赤鐵礦的存在，而至於它為什麼存在於月球表面，我們還需要一個合理的解釋。」

三種關鍵成分

他們的論文提供了一個「三管齊下」的模型，來解釋在月球環境中為什麼能形成鐵鏽。

首先，儘管月球沒有自己的大氣層，但實際上它還是擁有微量的氧氣，這些氧氣的來源正是我們的地球。地球的磁場就像一個風袋一樣，在地球後側有較長的拖拽。2007年的時候，日本的輝夜號（Kaguya，又稱輝夜姬號、月亮女神號）軌道飛行器發現，來自地球上層大氣的氧氣可以順著這種延伸的磁尾飄蕩出去，這是眾所周知的，地球上的這些氧氣可以飛行239 000英裡（385 00千米）到達月球。

這一發現與M3的數據相吻合，M3的數據表明，相比背對地球的那一側，在月球面向地球的一側所發現的赤鐵礦數量更多。李帥表示：「這表明地球的氧氣可能在推動著赤鐵礦的形成。」在過去數十億年間，月球一直在一點一點地遠離地球，所以當兩者在遙遠的過去相距較近時，可能有更多的氧氣躍過了這個距離。

還有第二個需要解決的問題，那就是太陽風輸送來的所有這些氫氣。作為還原劑，氫氣應該會防止氧化反應的發生，但地球磁場的磁尾在這裡也起到了中介作用。磁尾部分除了將氧氣從我們的星球運送到月球之外，還在月球饒軌運行的某些時期阻擋了99%以上的太陽風，特別是在月相為滿月的時候，這就為月球打開了特定的周期性窗口，讓鐵鏽能得以形成。

謎團的第三個部分則是水，儘管月球的大部分地方都完全乾涸了，但在月球另一側被陰影覆蓋的月球隕石坑中，科學家們發現了水冰。然而，赤鐵礦的發現地點卻又離發現水冰的地方很遠。李帥認為，相比在月球表面發現的水分子，更可能是定期飛擲到月球上的快速移動的塵埃粒子釋放了月球表面含有的水分子，在衝擊到月球表面時與土壤中的鐵混合。一方面，撞擊產生的熱量可以提高氧化反應的速度；另一方面，這些塵埃粒子本身可能也攜帶了水分子，隨著撞擊穿入月球表面，從而與鐵混合。在恰好合適的時機，也就是當月球因地球磁尾的阻擋受不到太陽風的侵擾且存在氧氣時，可能就會發生形成赤鐵礦的化學反應。

要確定水和巖石之間相互作用的確切方式，還需要更多的數據。這些數據還可能有助於解釋另一個謎團：為什麼在月球的另一側仍然有少量的赤鐵礦形成，畢竟地球的氧氣在理論上並不能到達月球背面。

更多的月球探索將帶來更多月球科學

弗雷曼說，這種模型還可以解釋在其他沒有空氣的星體（如小行星）上發現的赤鐵礦：「可能是少量的水和塵埃顆粒的撞擊讓這些星體中的鐵生鏽了。」

李帥指出，這是月球科學一個激動人心的時刻。自上一次阿波羅（Apollo）計劃登月以來的將近50年後，月球再次成為了一個主要的探索目的地。作為阿耳忒彌斯（Artemis）計劃的一部分，NASA計劃從明年開始向月球發射數十種新的儀器和技術實驗，然後從2024年開始進行人類探月任務。

JPL還為名為「月球開拓者號」（Lunar Trailblazer）的軌道器建造了M3的新版本，其中一個儀器是高解析度揮發物和礦物質月球測繪儀（High-resolutionVolatiles and Minerals Moon Mapper，HVM3），它將繪製月球上永遠處在陰影中的隕石坑內的水冰位置圖，或許還能揭示有關赤鐵礦的新細節。

「我認為這些結果表明，太陽系中發生的化學過程比我們此前意識到的還要複雜。」孫說道，「我們可以通過在未來發射前往月球的任務，來檢驗這些假設，從而更好地理解它們。」

參考來源：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/the-moon-is-rusting-and-researchers-want-to-know-why

來源：

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