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地球為什么能讓沒有氧氣的月球“生銹”？

2021-03-09 15:32:34 作者：本網整理來源：賽先生分享至：

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

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圖源：reddit.com

此前關于月球表面是否存在正三價鐵物質的問題，在科學界一直都非常有爭議。例如，科學家已經在阿波羅登月計劃帶回的月壤樣本中發現了少量正三價鐵物質（包括Fe?O?和FeOOH），然而很多后續的研究認為，那些是由于被地球環境所污染而產生的。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象，任何暴露在室外的鋼鐵質品都在生銹的路上越走越遠，無法回頭。相關科學研究估計，全球每年因生銹而廢掉的鋼鐵制品約占當年總產量的十分之一。因此生銹是一件讓人十分頭疼的事情，會讓鋼鐵設備表層變脆、變松散，進而降低其力學性能，縮短使用壽命，在使用過程中還會引發無數的故障問題。

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。這是一種化學性質十分活躍的氣體。

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（鐵元素的化合價為正三價），也稱為氧化鐵，紅褐色，化學性質穩定，一旦形成后不易與其他物質發生反應。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，工業煉鐵的重要原料。

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赤鐵礦圖源：flickr.com

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據后，發現赤鐵礦普遍存在于月球高緯度地區，而且主要分布在面向地球的一面。

月球南北半球地形圖，橙色區域表示赤鐵礦的分布。圖源：Shuai Li, HIGP, U of Hawaii; NASA LRO WAC / ASU

這讓人十分意外，要知道鐵生銹是一種氧化反應，需要氧氣和水的共同參與，但月球表面即沒有大氣層，也沒有液態或氣態水，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？科學家推斷，可能是近鄰的地球在搞鬼！

加強版赤鐵礦分布圖。極區的紅色部分為赤鐵礦的分布區域

圖源：Shuai Li, HIGP, U of Hawaii; NASA LRO WAC / ASU

地球為何能讓月亮“生銹”

月球是地球唯一的天然衛星，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（圍繞共同質心）長達數十億年之久，彼此間有著緊密而又復雜的協同演化關系。月球的質量較小，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、星際塵埃顆粒和小型天體能夠肆無忌怠地轟擊月球表面。

圖源：NASA

太陽風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+，也就是質子）和電子（e-），它們在與其他物質的化學反應中起到還原劑的作用，使參與反應的元素增加電子，從而降低化合價；而與之相反的氧化反應（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，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的威脅。太陽風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（Earth wind）”。

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太陽風與地磁場示意圖，圖源：NASA

月球圍繞地球公轉的周期約為30天，且公轉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，使月面的還原性大減，同時地球風又輸送來氧化反應所必須的氧離子（當然量不會太多），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，導致液態水無法存在，目前僅在月球背面的隕石坑里發現固態的水冰，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生氧化反應，產生銹跡。另外撞擊產生的熱量會加快氧化反應速率。

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，經過數十億年的不斷積累，演變成今天這幅狀態，然后被地球上的人類發現、研究。當然，以上的解釋還主要基于理論預測，仍需要大量的觀測數據作為支撐。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，關于月球更多的秘密將被揭開。