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揭秘:地球為何能讓月亮“生銹”

2020-12-24 14:24:50 來源:中科院地球環(huán)境研究所

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

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