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谁让月亮生了锈?可能是地球惹的祸!

众所周知,月球是我们的近邻,也是太阳系中除地球外,人类唯一登上过的一个天体。我们知道,月球表面近乎无氧,虽然存在水冰,但没有液态水。

所以你可以理解为什么在月球上发现赤铁矿时会令科学家们困惑不已。我们知道,赤铁矿是一种氧化铁,在地球上,需要空气和水的存在才能形成。尤其是,因为月球会持续受到太阳风产生的氢流的轰击,而氢流是一种还原剂,它把电子“捐赠”给与之相互作用的物质(即与之反应的粒子得到电子)。

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(图解:多个空间探测器观测到的太阳图像及太阳风在不同方向的速度和磁场分布情况。)

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铁的氧化反应是由于其丢失电子而发生的——因此,即使月球具备所有利于铁发生氧化反应的要素(即存在氧气和水),太阳风(作为还原剂)也会将其效果抵消。“这实在令人费解。”夏威夷大学马诺阿分校的行星科学家李帅(音译)如是说。“月球的环境非常不利于形成赤铁矿。”

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月球北极赤铁矿的增强地图。

我们通过分析印度空间研究组织(ISRO)的月船1号轨道飞行器所收集的数据发现月球存在赤铁矿。由美国宇航局喷气推进实验室(JPL)设计的月球矿藏勘测器(M)使用超光谱成像技术(HySI)来进行颗粒光谱分析,给出了月球表面矿物成分的详细分解。

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(图解:月球表面OH/HO的特征及空间分布的M数据绘图。图A:月表反照率;图B:M设备3μm波段吸收强度;图C:瞬时温度;图D矿物分布。其中,图B波段吸收强度对应OH/HO成分的丰度,由图可见月球南北两极存在较高的OH/HO丰度。)

在2018年,李帅和他的同事们就用这种方法分析出在月球两极附近高纬度地区的冰沉积物。但是,当在检查数据时,他注意到了一些数据不同寻常。

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(图解:上图是由NASA的M绘制的水冰在月球南极(左)和北极(右)的分布图。蓝色表示水冰的位置,灰度表示月表温度,其中深色代表较冷的区域,浅色代表较暖的区域。)

李帅说:“在检查月球极地地区的M数据时,我发现其中有些光谱特征和模式与我们在阿波罗计划中采集到的低纬度区域样本有所不同。”“当时我猜想月球上会不会存在着水-岩石反应。经过数月研究,我才恍然大悟,原来我察觉到的数据异常是月球存在赤铁矿的证据。”这个发现就像平地惊雷,我们不禁想:赤铁矿究竟是怎么产生的?一个重要的线索可能是赤铁矿在月球分布的情况(赤铁矿存在于月球极地高纬度地区)。赤铁矿的分布和此前发现的与撞击有关的水的痕迹非常吻合。科学家们认为,水冰可能分布在月球风化层中,并在撞击事件之后随碎石发掘出来并融化了。

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(图解:NASA雷达探测到的月球北极的水源与异常陨石坑分布位置。其中,红圈显示的是水源的位置,绿圈显示的是异常陨石坑的位置。由图可见,月球北极水源分布与异常陨石坑的分布接近。)

另外,非常有趣的一点是,赤铁矿大多数分布在月球始终面向地球的那一面。李帅说:“月球表面近地侧存在大量赤铁矿,这说明赤铁矿的形成可能与地球有关。”

“这让我想起了日本‘月亮女神’号探测器的发现——月球处于靠近地球磁尾的位置时,地球上层大气的氧气可以被太阳风吹到月球表面。因此,地球大气中的氧气可能是月球产生赤铁矿的主要氧化剂。”在满月期间,月球处于地球磁尾,即磁层的尾部区域,远离太阳。在这种情况下,超过99%的太阳风都无法到达月球表面,这意味原先分析中阻碍了铁氧化的氢还原剂大部分都没介入铁的氧化过程(因此赤铁矿得以形成)。

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(图解:月相图。月亮盈缺与日、地、月三者相对位置有关。由图可见,满月时,月球受太阳风影响最小。)

将这三种要素结合起来——微量的水和氧气,以及每个月中能避开氢还原剂而自在地“生锈”的短暂窗口期——经过几十亿年的积累,月球上就形成了赤铁矿。

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(图解:月球避开太阳风的短暂窗口期示意图。)

然而,这并不意味着赤铁矿之谜就已经完全解开了。

李帅说:“神奇的是,在月球背面——地球的氧气可能从未达到的地方——赤铁矿依然存在,尽管那里表面暴露出的赤铁矿相比于月球正面(近地侧)要少得多。”

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(图解:月球正面与月球背面的月表景观图。月球正面存在着大面积的月海(右图暗色区域),月球背面则存在面积广的高地,分布着密集的月坑。)

“在月球高纬度地区观测到的微量水可能在很大程度上参与了月球背面赤铁矿的形成过程,这或许就可以解释为什么在一些缺水的S-型小行星上能观测到赤铁矿了。”如果得到矿物本身,我们就能知道很多事情了。例如,在不同年代的赤铁矿沉积物中,可能仍然保留着来自地球不同年代的氧同位素,这甚至可以追溯到数十亿年前,借此,我们可以推知地球大气的演变。当然咯,我们也能更加深入地了解月球的历史。李帅说:“这一发现将重塑我们对月球极地地区的认识,地球可能在月球表面的演化过程中发挥了重要作用。”

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