圖源：reddit.com撰文 | 馬 超

責編 | 李珊珊

最近，發表在《Science Advances》期刊的一項研究證實，月球表麵高緯度地區存在赤鐵礦（Fe₂O₃），這是個(ge) 讓人浮想聯翩的發現，畢竟Fe₂O₃是鐵鏽的主要成分，沒有氧氣和液態水的月球，哪裏來的鐵鏽？

此前關(guan) 於(yu) 月球表麵是否存在正三價(jia) 鐵物質的問題，在科學界一直都非常有爭(zheng) 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(jia) 鐵物質（包括Fe₂O₃和FeOOH），然而很多後續的研究認為(wei) ，那些是由於(yu) 被地球環境所汙染而產(chan) 生的。新研究進一步證明了：月球表麵確實會(hui) “生鏽”，而且這場生鏽還會(hui) 繼續進行下去。

月亮也是會(hui) “生鏽”的

在地球上，鋼鐵生鏽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鏽的路上越走越遠，無法回頭。相關(guan) 科學研究估計，全球每年因生鏽而廢掉的鋼鐵製品約占當年總產(chan) 量的十分之一。因此生鏽是一件讓人十分頭疼的事情，會(hui) 讓鋼鐵設備表層變脆、變鬆散，進而降低其力學性能， 縮短使用壽命，在使用過程中還會(hui) 引發無數的故障問題。

人們(men) 嚐試采用各種防鏽措施，但仍舊無法逃脫鏽跡斑斑的命運，隻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鏽，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(O₂)，它在維持機體(ti) 正常生命活動的同時，也在慢慢地消耗我們(men) 的壽命。這是一種化學性質十分活躍的氣體(ti) 。

除了氧氣之外，金屬的氧化鏽蝕還需要水(H₂O)的參與(yu) ，這兩(liang) 種物質在地球上可以說無處不在，這是防鏽工作如此難搞的主要原因之一，鏽蝕時刻準備趁虛而入，尤其是在潮濕的天氣下。鐵鏽的主要成分為(wei) 三氧化二鐵（Fe₂O₃），這是一種三價(jia) 鐵物質（鐵元素的化合價(jia) 為(wei) 正三價(jia) ），也稱為(wei) 氧化鐵， 紅褐色，化學性質穩定，一旦形成後不易與(yu) 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(yu) 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(ye) 煉鐵的重要原料。

赤鐵礦 圖源：flickr.com

赤鐵礦在太陽係其他類地行星上也很常見。火星被稱為(wei) “紅色行星”，即是因為(wei) 表麵被赤鐵礦所覆蓋。

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(yi) （M3）測得的紅外反射光譜數據後，發現赤鐵礦普遍存在於(yu) 月球高緯度地區，而且主要分布在麵向地球的一麵。

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，要知道鐵生鏽是一種氧化反應，需要氧氣和水的共同參與(yu) ，但月球表麵即沒有大氣層，也沒有液態或氣態水，因此並不具備像地球那樣的氧化條件，那月球表麵怎麽(me) 生鏽的呢？赤鐵礦從(cong) 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(wei) 赤鐵礦的分布區域

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

地球為(wei) 何能讓月亮“生鏽”

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(jin) 為(wei) 38萬(wan) 公裏。兩(liang) 者在萬(wan) 有引力的作用下，相互繞轉（圍繞共同質心）長達數十億(yi) 年之久，彼此間有著緊密而又複雜的協同演化關(guan) 係。月球的質量較小，僅(jin) 為(wei) 地球的1/81，表麵引力場約為(wei) 地球的1/6，使其無法束縛住月麵的氣體(ti) ，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(ti) 能夠肆無忌怠地轟擊月球表麵。

圖源：NASA

太陽風是來自於(yu) 太陽日冕層的高能帶電粒子流（等離子流），主要成分為(wei) 氫原子核 (H+，也就是質子) 和 電子（e-），它們(men) 在與(yu) 其他物質的化學反應中起到還原劑的作用，使參與(yu) 反應的元素增加電子，從(cong) 而降低化合價(jia) ；而與(yu) 之相反的氧化反應（氧元素作為(wei) 氧化劑）則是移除電子，增加元素的化合價(jia) 。因此月球表麵和內(nei) 部具有高度的還原性，非常不利於(yu) 赤鐵礦的形成。前麵也提到，地球上鐵的氧化鏽蝕還需要氧氣和水的共同參與(yu) , 很明顯月球表麵並不具備這些條件。

那麽(me) ，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麽(me) 角色？首先說一下氧元素的來源問題，研究者認為(wei) 生成赤鐵礦所需的氧來自於(yu) 地球的高層大氣。與(yu) 地麵的不同，那裏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(chuan) 播到遙遠的行星際空間。地磁場就像一個(ge) 巨大的“防護罩”，使地麵的生物免受太陽風的威脅。太陽風與(yu) 地磁場的相互作用，使得麵向太陽一麵的磁場被嚴(yan) 重壓縮，而背對太陽一側(ce) 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(wei) “磁尾”，長度至少在數百個(ge) 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(ti) 帶電粒子流被稱為(wei) “地球風（Earth wind)”。

太陽風與(yu) 地磁場示意圖，圖源：NASA

月球圍繞地球公轉的周期約為(wei) 30天，且公轉軌道與(yu) 地球磁尾有交疊，因此月球在每個(ge) 月裏會(hui) 定期穿過地球的磁尾。由於(yu) 磁尾位於(yu) 太陽的反方向，月球穿過磁尾大概是在滿月前後的6天時間裏，在這段特別的時間裏，磁尾中的磁場將為(wei) 月球阻擋99%以上的太陽風，使月麵的還原性大減，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(hui) 太多），這些條件為(wei) 赤鐵礦的形成提供了一個(ge) 短暫的窗口期。在圍繞地球運行的過程中，月球總是以同一麵朝向地球，因此這一麵（正麵）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於(yu) 月球正麵。

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，形成赤鐵礦還差最後一個(ge) 參與(yu) 者——水，但月球無大氣層，導致液態水無法存在，目前僅(jin) 在月球背麵的隕石坑裏發現固態的水冰，那麽(me) 水要裏從(cong) 哪來？研究者推斷，缺少大氣層的保護，月麵會(hui) 頻繁遭受星際塵埃粒子等小型天體(ti) 的轟擊，這有將助於(yu) 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(yu) 月壤中的鐵發生氧化反應，產(chan) 生鏽跡。另外撞擊產(chan) 生的熱量會(hui) 加快氧化反應速率。

就這樣，月球每次穿過磁尾，月麵都會(hui) 被鏽蝕一點點，也就是說月麵正在慢慢變紅，經過數十億(yi) 年的不斷積累，演變成今天這幅狀態，然後被地球上的人類發現、研究。當然，以上的解釋還主要基於(yu) 理論預測，仍需要大量的觀測數據作為(wei) 支撐。隨著未來眾(zhong) 多更加先進的無人探月和載人登月計劃的實施，關(guan) 於(yu) 月球更多的秘密將被揭開。

圖源：sservi.nasa.gov

地月係統之間有著漫長的演化曆史，其年齡和太陽係差不多，二者之間的關(guan) 聯遠比人類所想象的要複雜得多。隻有更好的了解我們(men) 的鄰居，人類才能以此作為(wei) 前哨站，邁向更遠的太空。回過頭來，這對於(yu) 認識地球自身也有著重要的啟示意義(yi) 。

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