通過一粒月壤“看清”月球上的太空風(fēng)化作用機(jī)制

經(jīng)過成千上萬年的風(fēng)吹、日曬和雨淋，一塊堅(jiān)硬的巖石最終會風(fēng)化成肥沃的土壤。風(fēng)化作用雖然短時間內(nèi)不易察覺，但卻一直改變著地球上的地形地貌。

不僅地球，月球上的風(fēng)化作用每天也都在上演。利用多種電鏡技術(shù)，我國科研人員“看清”了嫦娥五號月球樣品背后的太空風(fēng)化作用機(jī)制。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《地球物理研究快報(bào)》。

“數(shù)十億年來，月球表面遭受了強(qiáng)烈的太空風(fēng)化作用，包括微隕石撞擊、太陽風(fēng)及銀河宇宙射線的輻射。這些過程極大地改變了月球表面物質(zhì)的形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。”4月11日，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所高級工程師谷立新告訴科技日報(bào)記者。

類似于地球上的土壤主要是巖石受到風(fēng)化作用演變而來，月壤也是月巖經(jīng)過長期的太空風(fēng)化作用形成的。因此，通過研究月壤，可以深入理解撞擊和太陽風(fēng)輻射與月球表面物質(zhì)的相互作用過程與機(jī)理，認(rèn)識月球表面物質(zhì)演化和空間環(huán)境變化過程。

然而，“由于月壤顆粒的尺寸微小且微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以區(qū)分微隕石撞擊和太陽風(fēng)輻照的特征差異，目前科學(xué)家對太空風(fēng)化作用機(jī)制的認(rèn)識還不夠清晰。”谷立新強(qiáng)調(diào)。

更重要的是，美國阿波羅計(jì)劃、蘇聯(lián)月球號采集的樣品都處于月球的低緯度范圍，而嫦娥五號采樣點(diǎn)位于中緯度。谷立新表示，嫦娥五號樣品為月球不同緯度的空間風(fēng)化研究提供了獨(dú)特的視角。

為此，研究人員利用單顆粒樣品操縱、掃描電鏡形貌觀察、聚焦離子束精細(xì)加工、透射電鏡結(jié)構(gòu)解析等一系列分析方法，獲得了單個嫦娥五號月壤顆粒表面的硅酸鹽、氧化物、磷酸鹽和硫化物的太空風(fēng)化作用信息。

“同一個月壤顆粒上的這些物質(zhì)，受到太空輻照條件的影響是一致的，為我們進(jìn)行對比研究提供了基礎(chǔ)。”谷立新說。

研究結(jié)果顯示，長時間暴露在外的月壤顆粒表面的礦物相都存在富含硅、氧元素的再沉積層，往下是太陽風(fēng)輻照損傷層。但是，“太陽風(fēng)輻照損傷層的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分變化與基體礦物的種類有關(guān)。”谷立新強(qiáng)調(diào)。

結(jié)合單顆粒表面的硅酸鹽、氧化物、磷酸鹽等物質(zhì)形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，研究發(fā)現(xiàn)，月壤的太空風(fēng)化作用主要是受到微隕石撞擊、太陽風(fēng)及宇宙射線的輻照等因素的共同作用。“然而，這些作用的各自貢獻(xiàn)則需要借助于精細(xì)的形貌和結(jié)構(gòu)表征才能區(qū)分。”谷立新坦言。

通過與阿波羅樣品的分析結(jié)果進(jìn)行對比，研究人員發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號月球樣品和阿波羅樣品的表層微觀結(jié)構(gòu)特征沒有表現(xiàn)出較大的差異。“這為月球中緯度的太空風(fēng)化作用提供了更多的認(rèn)識，也為月球遙感光譜校正模型在月球中緯度的適用性提供了支撐。”谷立新說。

但是，微觀結(jié)構(gòu)的相似性并不意味著月壤表面保存的太陽風(fēng)注入水沒有差異，關(guān)于太陽風(fēng)注入水還需要進(jìn)一步研究。

同時，谷立新表示，由于空間風(fēng)化效應(yīng)的多樣性，在將月球的空間風(fēng)化模型擴(kuò)展到其他無大氣行星時，還需要考慮行星物質(zhì)組成和空間環(huán)境的復(fù)雜性。（趙 越 本報(bào)記者 陸成寬）