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地球为什么能让没有氧气的月球“生锈”?
返回列表 来源: 发布日期: 2020.12.28

        如果您是关注科技的小伙伴,你也许在最近《Science Advances》期刊发布的一篇文章中产生兴趣:月球表面的高纬度地区,居然存在赤铁矿(Fe₂O₃),这可是个让人浮想联翩的发现!毕竟Fe₂O₃(三氧化二铁)是铁锈的主要成分,没有氧气和液态水的月球,哪里来的铁锈

近日发现月球上存在赤铁矿

        之前在科学界对于月球表面是否存在正三价铁物质的问题一直有着争论,这看起来似乎“铁证如山”:例如,科学家已经在阿波罗登月计划带回的月壤样本中发现了少量正三价铁物质(包括Fe₂O₃和FeOOH),然而很多后续的研究认为,那些是由于被地球环境所污染而产生的。新研究进一步证明了:月球表面确实会“生锈”,而且这场生锈还会继续进行下去。

月球表面

        众所周知,在地球上钢铁生锈是一种普遍的自然现象。任何暴露在室外的钢铁质品都在生锈的路上越走越远,无法回头。相关科学研究估计,全球每年因生锈而废掉的钢铁制品约占当年总产量的十分之一。因此生锈是一件让人十分头疼的事情,会让钢铁设备表层变脆、变松散,进而降低其力学性能,缩短使用寿命,在使用过程中还会引发无数的故障问题。

原本的金属管子已经锈迹斑斑

        除了氧气之外,金属的氧化锈蚀还需要水(H₂O)的参与,这两种物质在地球上可以说无处不在,这是防锈工作如此难搞的主要原因之一,再加上多变潮湿的天气,锈蚀时刻准备趁虚而入。而我们上文提到的 三氧化二铁(Fe₂O₃),这就是铁锈的主要成分,属于一种三价铁物质(铁元素的化合价为正三价),也被叫做 氧化铁,呈红褐色,化学性质稳定,一旦形成后不易与其他物质发生反应。铁是地球上最多的金属元素,因此氧化铁在自然界是一种普遍存在的化合物,但多与其他物质混合在一起。其中赤铁矿便是富含氧化铁的一种常见矿物,工业炼铁的重要原料。

赤铁矿(图片来源:flickr.com)

        在近日发表的这项新研究中,研究者通过分析月船一号(Chandrayaan-1)轨道飞行器上搭载的月球矿物绘图仪(M3)测得的红外反射光谱数据后,发现赤铁矿普遍存在于月球高纬度地区,而且主要分布在面向地球的一面。也就是说:月球表面生锈了!那就奇怪了,月球表面没有大气层,也没有液态或者是气态的水,这赤铁矿又是从何而来的呢?科学家推断,可能是近邻的地球在搞鬼!

加强版赤铁矿分布图(极区的红色部分为赤铁矿的分布区域)

        那么,月球高纬度地区,如何生成赤铁矿所需要的氧化条件呢?地球在其中扮演了什么角色?首先说一下氧元素的来源问题,研究者认为月球上生成赤铁矿所需的氧来自于地球的高层大气。与地面的不同,那里的氧原子处以高度电离状态,在地球磁场的作用下,这些带电粒子能传播到遥远的行星际空间。地磁场就像一个巨大的“防护罩”,使地面的生物免受太阳风的威胁。太阳风与地磁场的相互作用,使得面向太阳一面的磁场被严重压缩,而背对太阳一侧的地磁场则向反方向一路延伸,犹如一条长长的尾巴,因而称为“磁尾”,长度至少在数百个地球半径以上。地球磁尾具有了类似“运输通道”的作用,地球高层大气中的电离粒子,能够沿着磁尾中稀疏的磁感线被输送到遥远的空间,这些来自地球的等离子体带电粒子流被称为“地球风(Earth wind)”。

太阳风与地磁场示意图(图源:NASA)

        既然穿行在磁尾中的月球,已经具备了氧化条件和和地球来的氧元素,形成赤铁矿还差最后一个参与者——水,但月球无大气层,导致液态水无法存在,目前仅在月球背面的陨石坑里发现固态的水冰,那么水到底从哪来?研究者推断,缺少大气层的保护,月面会频繁遭受星际尘埃粒子等小型天体的轰击,这有将助于释放月球表层中的水分子,同时这些外来的尘埃粒子本身也可能携带水分子,进而与月壤中的铁发生氧化反应,产生锈迹。另外撞击产生的热量会加快氧化反应速率。

小型天体撞击月球的事情时有发生

        就这样,月球每次穿过磁尾,月面都会被锈蚀一点点,也就是说月面正在慢慢变红,经过数十亿年的不断积累,演变成今天这幅状态,然后被地球上的人类发现并研究。当然,以上的解释还主要基于理论预测,仍需要大量的观测数据作为支撑。随着未来众多更加先进的无人探月和载人登月计划的实施,关于月球更多的秘密将被揭开。

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