在浩渺無垠的天空中，有一顆與我們人類居住的地球永遠相隨相伴且距離最近的星球-月球。從小開始，有關月亮的傳說和故事映入我們的記憶中：嫦娥奔月、吳剛折桂、天狗吃月、蕭何月下追韓信。

有關月亮的詩詞也汗牛充棟。代表性詩詞有如李白的《靜夜思》：“床前明月光，疑是地上霜。舉頭望明月，低頭思故鄉”。盧綸《塞下曲》：“月黑雁飛高，單于夜遁逃”。蘇軾的《水調歌頭》：“明月幾時有？把酒問青天”...“人有悲歡離合，月有陰晴圓缺”。

在滿月的夜晚，我偶爾也會用手機隨手拍一下月亮。但從未對月亮表面顏色有過關心。今仔細看來，月球表面的確顏色不均一，有相當部分發暗。

進一步看，月亮表面也有高山峽谷；中部可見深褐色。這就是傳說中的鐵繡。

生銹的月亮，來源網絡

不知大家是否想過我們現在看到的月亮與古人看到的月亮是否一樣呢？最近，科學家發現月亮表面變紅了。或者說，月球開始生銹或者腐蝕了！如同新疆阿勒泰地區五彩灘。

2008年，印度發射了一艘月球探測器月船一號（Chandrayaan-1）。該探測器攜帶了由NASA（美國國家航空航天局）建造的儀器，可以分析月球礦物組成。2020年，NASA和夏威夷地球物理與行星研究所的科學家發現了富含鐵的氧化物赤鐵礦（Fe2O3）的痕跡。文章發表在《科學進展》雜志上。該論文表示，月球赤鐵礦的形成或許與地球相關。

赤鐵礦是一種鐵銹，是鐵的主要腐蝕產物。所謂腐蝕是材料受其周圍環境介質的化學、電化學和物理作用下引起失效破壞的現象。根據環境溫度，腐蝕可分為常溫腐蝕和高溫腐蝕或氧化。鐵既可在室溫水環境中發生電化學腐蝕，也可在高溫（100℃以上）氧環境中發生高溫腐蝕。雖然此兩種腐蝕機制完全不同，但都能形成赤鐵礦，如果環境存在氧氣或水。

然而，早期研究表示，月球自身的環境并不適合形成赤鐵礦?；蛘哒f，月球表面自身條件難以發生腐蝕。實際上，情況并非如此，新發現應歸因于繞月飛行的探測儀器和設備更為先進，更多登月活動獲得的新證據所致。

根據腐蝕科學原理，那么搞清月球腐蝕原因首先需要搞清以下三個問題：

問題一：月球的物質組成是什么？含有鐵嗎？

問題二：月球表面可能存在原子氧或氧氣嗎？

問題三：月球有水嗎？水的分布如何？正面和背面水分布如何？

業已證實，月球中存在橄欖石，其化學式為(MgFe)2SiO4。2019年5月16日，中國科學院國家天文臺宣布，由該臺研究員李春來領導的研究團隊利用嫦娥四號探測數據，證明了月球背面南極-艾特肯盆地存在以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質。

月球表面除了受到太空塵埃轟擊，還受太陽、地球、月球時空關系及月球內部活動的影響。正是由于太陽、地球、月球三種之間的相互運動關系，造成有趣的月球腐蝕現象。

在室溫和高溫下鐵都可與氧直接反應形成氧化鐵。至于月球微量氧氣，更確切地說，原子氧[O]的來源，可以追溯到地球。

太陽風把地球的氧帶到月球表面。地球的磁場像風向袋一樣落后于行星。2007年，日本的Kaguya軌道飛行器發現，來自地球上層大氣的氧氣可以順著這種磁尾飛行。氧氣的來源很可能是隨地球磁尾一路遠行38.5萬公里來到月球。

日本大阪大學Kentaro Teradafa團隊[1]《Nature Astronomy （自然天文學）》上發表文章稱，在月球繞地軌道中，有五天時間空窗期，月球躲在地球背面，地球上的氧氣就這樣飄散到月球上去。當地球在日地月中間時，擋住了部分太陽風。地球除了向月球運送氧之外，它還在月球軌道的某些時期（特別是在滿月階段）阻擋了超過99％的太陽風。這會在月球周期中形成生銹的機會。

2Fe+O₂=2FeO   (1)

6FeO+O₂=2Fe₃O₄(2)

4Fe3O4+O2=6Fe2O3   (3)

從熱力學來說，根據吉布斯自由能的變化，可判斷上述反應的方向。高溫氧化吉布斯自由能的變化與溫度和氧氣分壓及氧化物分解壓相關。

因此，月球表面溫度的影響也不容忽視，或者說，對月球腐蝕機理的認識至關重要。白天最高160℃。也有說，白天溫度127℃，夜晚-183℃。高溫則加速鐵的氧化。每升高10度，氧化速度則提升2倍。

白天月球表面水分子在真空度極高的環境中是否難以存在，或者逃逸。但夜晚可以存在和儲存在月壤中。真空環境或真空度極高的環境中鐵的氧化機理與地球表面有何不同？

另外，鐵腐蝕產生銹皮并不一定需要氧氣。無論低溫還是高溫，鐵和水分子混合在一起時也會生銹。2020年10月26日中午，美國國家航空航天局的同溫層紅外天文觀測臺“索菲婭” 首次證實：月球的向陽面上存在水。

盡管月球大部分處于干燥狀態，但在月球另一側的陰影月球坑中仍可發現水冰。但是發現赤鐵礦距離那塊冰很遠。當一些速度極快的塵埃顆粒撞擊到月球的兩極的水冰時，就有可能從中釋放出水分子，再加上這些塵埃顆粒在撞擊月球時會產生一定的熱量，這就能夠讓月球上的鐵與水分子在高溫條件下混合，從而生成氧化鐵。

2Fe+3H₂O=Fe₂O₃+3H₂ (4)

恰好的時機（即當月球被太陽風遮蔽且存在氧氣時）也很重要。

這些數據還可以幫助解釋另一個謎團：為什么在月球的另一端也形成了少量赤鐵礦，而地球的氧氣本該無法到達。

其實，還有一個過程，太陽風還會把氫吹到月球表面，把鐵還原。

Fe₂O₃+6[H]=2Fe+3H₂O（5）

值得指出的是，月球上水的來源不僅是宇宙塵埃，或許根本就是太陽風的氫和地球氧的牽手相遇相愛的產物。正如詩經所言，“執子之手，與子偕老”。

4[H]+O₂=2H₂O   （6）

但在月球表面太陽風存在空窗期內，氫無法繼續對赤鐵礦還原。因而，赤鐵礦得已保留。隨著時間的延長，赤鐵礦的累積或將越來越多。若干年后，后人看到的月亮或許不再是白色的，而是紅色的。

參考資料：

1. Terada, K., Yokota, S., Saito, Y. et al. Biogenic oxygen from Earth transported to the Moon by a wind of magnetospheric ions.  Nat Astron 1, 0026 (2017). https://doi.org/10.1038/s41550-016-0026

2. 周春銀  行星科學：月球上的水(《Nature Geoscience》最新文章)