揭秘：地球為何能讓月亮“生銹”

最近，發(fā)表在《Science Advances》期刊的一項研究證實，月球表面高緯度地區(qū)存在赤鐵礦(Fe?O?)，這是個讓人浮想聯(lián)翩的發(fā)現(xiàn)，畢竟Fe?O?是鐵銹的主要成分，沒有氧氣和液態(tài)水的月球，哪里來的鐵銹?

此前關(guān)于月球表面是否存在正三價鐵物質(zhì)的問題，在科學(xué)界一直都非常有爭議。例如，科學(xué)家已經(jīng)在阿波羅登月計劃帶回的月壤樣本中發(fā)現(xiàn)了少量正三價鐵物質(zhì)(包括Fe?O?和FeOOH)，然而很多后續(xù)的研究認為，那些是由于被地球環(huán)境所污染而產(chǎn)生的。新研究進一步證明了：月球表面確實會“生銹”，而且這場生銹還會繼續(xù)進行下去。

月亮也是會“生銹”的

在地球上，鋼鐵生銹是一種普遍的自然現(xiàn)象，任何暴露在室外的鋼鐵質(zhì)品都在生銹的路上越走越遠，無法回頭。相關(guān)科學(xué)研究估計，全球每年因生銹而廢掉的鋼鐵制品約占當(dāng)年總產(chǎn)量的十分之一。因此生銹是一件讓人十分頭疼的事情，會讓鋼鐵設(shè)備表層變脆、變松散，進而降低其力學(xué)性能， 縮短使用壽命，在使用過程中還會引發(fā)無數(shù)的故障問題。

人們嘗試采用各種防銹措施，但仍舊無法逃脫銹跡斑斑的命運，只能做到延緩這一過程。這就像生命一樣，無法避免衰老。實際上無論是金屬的生銹，還是生命的衰亡，都是氧化反應(yīng)在起作用，而讓這一過程進行所必需的成分，便是生活中無處不在的氧氣(O?)，它在維持機體正常生命活動的同時，也在慢慢地消耗我們的壽命。這是一種化學(xué)性質(zhì)十分活躍的氣體。

除了氧氣之外，金屬的氧化銹蝕還需要水(H?O)的參與，這兩種物質(zhì)在地球上可以說無處不在，這是防銹工作如此難搞的主要原因之一，銹蝕時刻準備趁虛而入，尤其是在潮濕的天氣下。鐵銹的主要成分為三氧化二鐵(Fe?O?)，這是一種三價鐵物質(zhì)(鐵元素的化合價為正三價)，也稱為氧化鐵， 紅褐色，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，一旦形成后不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。鐵是地球上最多的金屬元素，因此氧化鐵在自然界是一種普遍存在的化合物，但多與其他物質(zhì)混合在一起。其中赤鐵礦便是富含氧化鐵的一種常見礦物，工業(yè)煉鐵的重要原料。

赤鐵礦在太陽系其他類地行星上也很常見。火星被稱為“紅色行星”，即是因為表面被赤鐵礦所覆蓋。

在近日發(fā)表的這項新研究中，研究者通過分析月船一號(Chandrayaan-1)軌道飛行器上搭載的月球礦物繪圖儀(M3)測得的紅外反射光譜數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)赤鐵礦普遍存在于月球高緯度地區(qū)，而且主要分布在面向地球的一面。

這讓人十分意外，要知道鐵生銹是一種氧化反應(yīng)，需要氧氣和水的共同參與，但月球表面即沒有大氣層，也沒有液態(tài)或氣態(tài)水，因此并不具備像地球那樣的氧化條件，那月球表面怎么生銹的呢?赤鐵礦從何而來?科學(xué)家推斷，可能是近鄰的地球在搞鬼!

地球為何能讓月亮“生銹”

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，也是距離地球最近的星球，平均距離僅為38萬公里。兩者在萬有引力的作用下，相互繞轉(zhuǎn)(圍繞共同質(zhì)心)長達數(shù)十億年之久，彼此間有著緊密而又復(fù)雜的協(xié)同演化關(guān)系。月球的質(zhì)量較小，僅為地球的1/81，表面引力場約為地球的1/6，使其無法束縛住月面的氣體，因此月球沒有大氣，再加上月球的磁場微弱到幾乎不存在，這使太陽風(fēng)、星際塵埃顆粒和小型天體能夠肆無忌怠地轟擊月球表面。

太陽風(fēng)是來自于太陽日冕層的高能帶電粒子流(等離子流)，主要成分為氫原子核 (H+，也就是質(zhì)子) 和 電子(e-)，它們在與其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中起到還原劑的作用，使參與反應(yīng)的元素增加電子，從而降低化合價;而與之相反的氧化反應(yīng)(氧元素作為氧化劑)則是移除電子，增加元素的化合價。因此月球表面和內(nèi)部具有高度的還原性，非常不利于赤鐵礦的形成。前面也提到，地球上鐵的氧化銹蝕還需要氧氣和水的共同參與, 很明顯月球表面并不具備這些條件。

那么，月球高緯度地區(qū)的氧化條件是如何形成的?地球在其中扮演了什么角色?首先說一下氧元素的來源問題，研究者認為生成赤鐵礦所需的氧來自于地球的高層大氣。與地面的不同，那里的氧原子處以高度電離狀態(tài)，在地球磁場的作用下，這些帶電粒子能傳播到遙遠的行星際空間。地磁場就像一個巨大的“防護罩”，使地面的生物免受太陽風(fēng)的威脅。太陽風(fēng)與地磁場的相互作用，使得面向太陽一面的磁場被嚴重壓縮，而背對太陽一側(cè)的地磁場則向反方向一路延伸，猶如一條長長的尾巴，因而稱為“磁尾”，長度至少在數(shù)百個地球半徑以上。地球磁尾具有了類似“運輸通道”的作用，地球高層大氣中的電離粒子，能夠沿著磁尾中稀疏的磁感線被輸送到遙遠的空間，這些來自地球的等離子體帶電粒子流被稱為“地球風(fēng)(Earth wind)”。

月球圍繞地球公轉(zhuǎn)的周期約為30天，且公轉(zhuǎn)軌道與地球磁尾有交疊，因此月球在每個月里會定期穿過地球的磁尾。由于磁尾位于太陽的反方向，月球穿過磁尾大概是在滿月前后的6天時間里，在這段特別的時間里，磁尾中的磁場將為月球阻擋99%以上的太陽風(fēng)，使月面的還原性大減，同時地球風(fēng)又輸送來氧化反應(yīng)所必須的氧離子(當(dāng)然量不會太多)，這些條件為赤鐵礦的形成提供了一個短暫的窗口期。在圍繞地球運行的過程中，月球總是以同一面朝向地球，因此這一面(正面)理應(yīng)接受到更多的氧離子，而此項研究也確實證實了赤鐵礦主要存在于月球正面。

既然穿行在磁尾中的月球已經(jīng)具備了氧化條件和和地球來的氧元素，形成赤鐵礦還差最后一個參與者——水，但月球無大氣層，導(dǎo)致液態(tài)水無法存在，目前僅在月球背面的隕石坑里發(fā)現(xiàn)固態(tài)的水冰，那么水要里從哪來?研究者推斷，缺少大氣層的保護，月面會頻繁遭受星際塵埃粒子等小型天體的轟擊，這有將助于釋放月球表層中的水分子，同時這些外來的塵埃粒子本身也可能攜帶水分子，進而與月壤中的鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生銹跡。另外撞擊產(chǎn)生的熱量會加快氧化反應(yīng)速率。

就這樣，月球每次穿過磁尾，月面都會被銹蝕一點點，也就是說月面正在慢慢變紅，經(jīng)過數(shù)十億年的不斷積累，演變成今天這幅狀態(tài)，然后被地球上的人類發(fā)現(xiàn)、研究。當(dāng)然，以上的解釋還主要基于理論預(yù)測，仍需要大量的觀測數(shù)據(jù)作為支撐。隨著未來眾多更加先進的無人探月和載人登月計劃的實施，關(guān)于月球更多的秘密將被揭開。

地月系統(tǒng)之間有著漫長的演化歷史，其年齡和太陽系差不多，二者之間的關(guān)聯(lián)遠比人類所想象的要復(fù)雜得多。只有更好的了解我們的鄰居，人類才能以此作為前哨站，邁向更遠的太空。回過頭來，這對于認識地球自身也有著重要的啟示意義。

撰文 | 馬 超

關(guān)鍵詞： 月球生銹