月球上沒(méi)有氧氣為何還會(huì)“生銹”？都是地球惹的禍
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撰文 | 馬 超
責(zé)編 | 李珊珊
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最近，發(fā)表在《Science Advances》期刊的一項(xiàng)研究證實(shí)，月球表面高緯度地區(qū)存在赤鐵礦（Fe?O?），這是個(gè)讓人浮想聯(lián)翩的發(fā)現(xiàn)，畢竟Fe?O?是鐵銹的主要成分，沒(méi)有氧氣和液態(tài)水的月球，哪里來(lái)的鐵銹？
此前關(guān)于月球表面是否存在正三價(jià)鐵物質(zhì)的問(wèn)題，在科學(xué)界一直都非常有爭(zhēng)議。例如，科學(xué)家已經(jīng)在阿波羅登月計(jì)劃帶回的月壤樣本中發(fā)現(xiàn)了少量正三價(jià)鐵物質(zhì)（包括Fe?O?和FeOOH），然而很多后續(xù)的研究認(rèn)為，那些是由于被地球環(huán)境所污染而產(chǎn)生的。新研究進(jìn)一步證明了：月球表面確實(shí)會(huì)“生銹”，而且這場(chǎng)生銹還會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下去。
月亮也是會(huì)“生銹”的
在地球上，鋼鐵生銹是一種普遍的自然現(xiàn)象，任何暴露在室外的鋼鐵質(zhì)品都在生銹的路上越走越遠(yuǎn)，無(wú)法回頭。相關(guān)科學(xué)研究估計(jì)，全球每年因生銹而廢掉的鋼鐵制品約占當(dāng)年總產(chǎn)量的十分之一。因此生銹是一件讓人十分頭疼的事情，會(huì)讓鋼鐵設(shè)備表層變脆、變松散，進(jìn)而降低其力學(xué)性能， 縮短使用壽命，在使用過(guò)程中還會(huì)引發(fā)無(wú)數(shù)的故障問(wèn)題。
人們嘗試采用各種防銹措施，但仍舊無(wú)法逃脫銹跡斑斑的命運(yùn)，只能做到延緩這一過(guò)程。這就像生命一樣，無(wú)法避免衰老。實(shí)際上無(wú)論是金屬的生銹，還是生命的衰亡，都是氧化反應(yīng)在起作用，而讓這一過(guò)程進(jìn)行所必需的成分，便是生活中無(wú)處不在的氧氣(O?)，它在維持機(jī)體正常生命活動(dòng)的同時(shí)，也在慢慢地消耗我們的壽命。這是一種化學(xué)性質(zhì)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(zhì)在地球上可以說(shuō)無(wú)處不在，這是防銹工作如此難搞的主要原因之一，銹蝕時(shí)刻準(zhǔn)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(jià)鐵物質(zhì)（鐵元素的化合價(jià)為正三價(jià)），也稱(chēng)為氧化鐵， 紅褐色，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，一旦形成后不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。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(zhì)混合在一起。其中赤鐵礦便是富含氧化鐵的一種常見(jiàn)礦物，工業(yè)煉鐵的重要原料。
赤鐵礦在太陽(yáng)系其他類(lèi)地行星上也很常見(jiàn)?；鹦潜环Q(chēng)為“紅色行星”，即是因?yàn)楸砻姹怀噼F礦所覆蓋。
在近日發(fā)表的這項(xiàng)新研究中，研究者通過(guò)分析月船一號(hào)（Chandrayaan-1）軌道飛行器上搭載的月球礦物繪圖儀（M3）測(cè)得的紅外反射光譜數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)赤鐵礦普遍存在于月球高緯度地區(qū)，而且主要分布在面向地球的一面。
這讓人十分意外，要知道鐵生銹是一種氧化反應(yīng)，需要氧氣和水的共同參與，但月球表面即沒(méi)有大氣層，也沒(méi)有液態(tài)或氣態(tài)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(lái)？科學(xué)家推斷，可能是近鄰的地球在搞鬼！
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月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，也是距離地球最近的星球，平均距離僅為38萬(wàn)公里。兩者在萬(wàn)有引力的作用下，相互繞轉(zhuǎn)（圍繞共同質(zhì)心）長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年之久，彼此間有著緊密而又復(fù)雜的協(xié)同演化關(guān)系。月球的質(zhì)量較小，僅為地球的1/81，表面引力場(chǎng)約為地球的1/6，使其無(wú)法束縛住月面的氣體，因此月球沒(méi)有大氣，再加上月球的磁場(chǎng)微弱到幾乎不存在，這使太陽(yáng)風(fēng)、星際塵埃顆粒和小型天體能夠肆無(wú)忌怠地轟擊月球表面。
太陽(yáng)風(fēng)是來(lái)自于太陽(yáng)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(zhì)子) 和 電子（e-），它們?cè)谂c其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中起到還原劑的作用，使參與反應(yīng)的元素增加電子，從而降低化合價(jià)；而與之相反的氧化反應(yīng)（氧元素作為氧化劑）則是移除電子，增加元素的化合價(jià)。因此月球表面和內(nèi)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(qū)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(shuō)一下氧元素的來(lái)源問(wèn)題，研究者認(rèn)為生成赤鐵礦所需的氧來(lái)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(tài)，在地球磁場(chǎng)的作用下，這些帶電粒子能傳播到遙遠(yuǎn)的行星際空間。地磁場(chǎng)就像一個(gè)巨大的“防護(hù)罩”，使地面的生物免受太陽(yáng)風(fēng)的威脅。太陽(yáng)風(fēng)與地磁場(chǎng)的相互作用，使得面向太陽(yáng)一面的磁場(chǎng)被嚴(yán)重壓縮，而背對(duì)太陽(yáng)一側(cè)的地磁場(chǎng)則向反方向一路延伸，猶如一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，因而稱(chēng)為“磁尾”，長(zhǎng)度至少在數(shù)百個(gè)地球半徑以上。地球磁尾具有了類(lèi)似“運(yùn)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(xiàn)被輸送到遙遠(yuǎn)的空間，這些來(lái)自地球的等離子體帶電粒子流被稱(chēng)為“地球風(fēng)（Earth wind)”。
月球圍繞地球公轉(zhuǎn)的周期約為30天，且公轉(zhuǎn)軌道與地球磁尾有交疊，因此月球在每個(gè)月里會(huì)定期穿過(guò)地球的磁尾。由于磁尾位于太陽(yáng)的反方向，月球穿過(guò)磁尾大概是在滿(mǎn)月前后的6天時(shí)間里，在這段特別的時(shí)間里，磁尾中的磁場(chǎng)將為月球阻擋99%以上的太陽(yáng)風(fēng)，使月面的還原性大減，同時(shí)地球風(fēng)又輸送來(lái)氧化反應(yīng)所必須的氧離子（當(dāng)然量不會(huì)太多），這些條件為赤鐵礦的形成提供了一個(gè)短暫的窗口期。在圍繞地球運(yùn)行的過(guò)程中，月球總是以同一面朝向地球，因此這一面（正面）理應(yīng)接受到更多的氧離子，而此項(xiàng)研究也確實(shí)證實(shí)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(jīng)具備了氧化條件和和地球來(lái)的氧元素，形成赤鐵礦還差最后一個(gè)參與者——水，但月球無(wú)大氣層，導(dǎo)致液態(tài)水無(wú)法存在，目前僅在月球背面的隕石坑里發(fā)現(xiàn)固態(tài)的水冰，那么水要里從哪來(lái)？研究者推斷，缺少大氣層的保護(hù)，月面會(huì)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(shí)這些外來(lái)的塵埃粒子本身也可能攜帶水分子，進(jìn)而與月壤中的鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生銹跡。另外撞擊產(chǎn)生的熱量會(huì)加快氧化反應(yīng)速率。
就這樣，月球每次穿過(guò)磁尾，月面都會(huì)被銹蝕一點(diǎn)點(diǎn)，也就是說(shuō)月面正在慢慢變紅，經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的不斷積累，演變成今天這幅狀態(tài)，然后被地球上的人類(lèi)發(fā)現(xiàn)、研究。當(dāng)然，以上的解釋還主要基于理論預(yù)測(cè)，仍需要大量的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐。隨著未來(lái)眾多更加先進(jìn)的無(wú)人探月和載人登月計(jì)劃的實(shí)施，關(guān)于月球更多的秘密將被揭開(kāi)。
地月系統(tǒng)之間有著漫長(zhǎng)的演化歷史，其年齡和太陽(yáng)系差不多，二者之間的關(guān)聯(lián)遠(yuǎn)比人類(lèi)所想象的要復(fù)雜得多。只有更好的了解我們的鄰居，人類(lèi)才能以此作為前哨站，邁向更遠(yuǎn)的太空。回過(guò)頭來(lái)，這對(duì)于認(rèn)識(shí)地球自身也有著重要的啟示意義。
制版編輯 | 栗子
