作者：郭菲（煙臺大學(xué)）
監(jiān)制：中國科普博覽
在寂靜的月球表面，有一位永不停歇的“雕刻師”——太陽風(fēng)。這股來自太陽的帶電粒子流，以每秒數(shù)百公里的速度持續(xù)沖擊月表，日復(fù)一日，年復(fù)一年，在礦物顆粒表面悄然刻下時光的印記。如今，通過分析嫦娥五號和嫦娥六號探測器帶回的珍貴月壤樣品，中國科學(xué)家首次揭示：在月球正面與背面之間，存在著以千萬年計(jì)的太陽風(fēng)輻照差異，這一發(fā)現(xiàn)為理解月球表面的演化歷史打開了新的窗口。
來自太空的無聲雕刻師
太陽風(fēng)主要由氫離子和氦離子組成，它們攜帶著約每核子1千電子伏特的能量。當(dāng)這些高速粒子撞擊月球表面的礦物顆粒時，就像微小的子彈不斷轟擊，逐漸在顆粒表面形成一層非晶質(zhì)的損傷環(huán)帶。這種環(huán)帶就像樹木的年輪，記錄著顆粒在月球表面暴露的時間長短和經(jīng)歷的太陽風(fēng)輻照強(qiáng)度。與此同時，來自太陽的高能粒子則能穿透更深，在礦物內(nèi)部留下輻射徑跡，成為另一本記錄宇宙射線歷史的天書。
跨越38萬公里的樣品之旅
2020年12月17日，嫦娥五號探測器成功從月球正面的風(fēng)暴洋東北部（北緯43.058度，西經(jīng)51.916度）帶回1.731公斤月壤。時隔三年半，2024年6月25日，嫦娥六號探測器創(chuàng)造歷史，首次從月球背面的南極-艾特肯盆地（南緯41.625度，西經(jīng)153.978度）采集月壤樣本。這兩批來自月球不同半球、跨越時空的珍貴樣品，為科學(xué)家提供了前所未有的機(jī)會，得以比較月球不同區(qū)域在空間風(fēng)化作用上的差異。
來自中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、澳門科技大學(xué)、云南大學(xué)和吉林大學(xué)的科學(xué)家們，對這些珍貴樣品展開了細(xì)致入微的分析。研究人員精心挑選了15顆具有清晰月表暴露特征的長石顆粒。這些顆粒表面都帶有微隕石撞擊坑或熔融濺射物的痕跡，無聲地訴說著它們在月球表面經(jīng)歷的漫長歲月。
通過聚焦離子束切片技術(shù)，研究人員制備了約100納米厚的超薄切片。在透射電子顯微鏡下，這些切片展現(xiàn)出了令人驚嘆的微觀世界：最表層是太陽風(fēng)損傷形成的非晶環(huán)帶，厚度從19納米到109納米不等；而在其下方的晶體基質(zhì)中，密布著太陽高能粒子留下的輻射徑跡，如同繁星點(diǎn)點(diǎn)。
代表性研究顆粒的顯微特征
(a) 研究樣品 CE6-PL1 顆粒的二次電子（SE）圖像。綠色矩形區(qū)域?yàn)榫劢闺x子束（FIB）截取位置。顆粒表面可見微隕石撞擊坑及濺射熔融痕跡。
(b, d) 顆粒表面的掃描透射電子顯微鏡（STEM）及高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。黑色虛線表示非晶邊緣層與晶質(zhì)基質(zhì)之
間的界面。
(c) STEM 圖像、定量 TEM-EDS 元素分布圖及對應(yīng)的元素剖面，顯示了空間風(fēng)化邊緣層的結(jié)構(gòu)特征。白色箭頭和虛框分別指示蒸汽沉積層與太陽風(fēng)損傷層。
注：FIB、STEM、HRTEM 和 TEM-EDS 分別代表聚焦離子束、掃描透射電子顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡和透射電子顯微鏡能譜分析技術(shù)。
（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
地球磁場的守護(hù)與偏心
研究發(fā)現(xiàn)了一個引人深思的現(xiàn)象：來自月球背面中緯度地區(qū)的嫦娥六號樣品，其太陽風(fēng)損傷環(huán)帶的增長速率為每百萬年33.21±6.16納米，明顯高于來自月球正面赤道附近的阿波羅11號、16號和17號樣品（分別為25.10±1.76、23.52±5.36和25.40±2.32納米每百萬年）。這一差異背后，隱藏著地球磁場對月球施加的不對稱保護(hù)。
月球在28天的軌道周期中，約有7天時間處于地球磁層范圍內(nèi)，其中大約4天深入磁尾區(qū)域。當(dāng)月球正面朝向太陽時，其中心區(qū)域約有一半時間受到地球磁尾的庇護(hù)，太陽風(fēng)粒子被有效屏蔽。而月球背面在向陽時則完全暴露在太陽風(fēng)的直接轟擊之下，沒有任何地磁保護(hù)。這種周期性的、不對稱的屏蔽效應(yīng)，在千萬年的時間尺度上累積，最終在月壤顆粒的微觀結(jié)構(gòu)中留下了可以測量的印記。
通過霍爾磁流體動力學(xué)模擬，科學(xué)家們重建了月球表面的太陽風(fēng)通量分布圖。模擬結(jié)果清晰地顯示，月球背面的太陽風(fēng)通量普遍高于正面，特別是在中高緯度地區(qū)，這種差異更為顯著。這與嫦娥六號樣品顯示的較高環(huán)帶增長速率完全吻合，有力支持了地球磁層調(diào)制月球太陽風(fēng)輻照的理論。
異常高速的風(fēng)化之謎
然而，研究中最令人意外的發(fā)現(xiàn)來自嫦娥五號樣品。這些采自月球正面北緯43度的樣品，展現(xiàn)出了所有測試樣品中最高的太陽風(fēng)損傷環(huán)帶增長速率——每百萬年55.96±10.82納米。這一數(shù)值不僅高于月球背面的嫦娥六號樣品，更是遠(yuǎn)超同在月球正面的阿波羅樣品。
這一異?，F(xiàn)象暗示著，除了地球磁場的影響外，還有其他因素在控制著月表的太陽風(fēng)輻照效應(yīng)。研究人員提出了幾種可能的解釋。首先是月壤的孔隙度差異。模擬研究表明，高孔隙度的月壤能增強(qiáng)離子散射，使太陽風(fēng)粒子與更多礦物顆粒相互作用，從而加速非晶環(huán)帶的形成。實(shí)地測量顯示，嫦娥五號著陸區(qū)的原位孔隙度比嫦娥六號高出約10%，這可能是導(dǎo)致其環(huán)帶增長速率異常的重要因素。
其次，局部地形的坡度和朝向也可能發(fā)揮作用。陡峭的斜坡能有效減小太陽天頂角，增大單位面積接收的太陽風(fēng)通量。此外，嫦娥五號和嫦娥六號著陸區(qū)的表面溫度條件也存在差異。較低的溫度可能更有利于輻照損傷的累積，因?yàn)闊嵬嘶鹦?yīng)會被抑制。實(shí)驗(yàn)研究表明，在約500開爾文以上，礦物晶格的動態(tài)退火效應(yīng)會顯著增強(qiáng)，部分抵消輻照造成的損傷。
嫦娥與阿波羅任務(wù)月壤顆粒中太陽風(fēng)損傷層厚度與暴露年齡的比較
比較來自嫦娥五號、嫦娥六號、阿波羅11號、16號和17號任務(wù)的月壤顆粒中太陽風(fēng)（SW）損傷層厚度與暴露年齡的關(guān)系。不同任務(wù)的樣品以不同符號區(qū)分：淺藍(lán)色方形代表嫦娥五號（Chang’E-5），黃色方形代表嫦娥六號（Chang’E-6），粉紅色圓形代表阿波羅11號（Apollo 11），綠色圓形代表阿波羅16號（Apollo 16），灰色圓形代表阿波羅17號（Apollo 17）。淺藍(lán)色與黃色陰影區(qū)域分別表示嫦娥五號（CE-5）與嫦娥六號（CE-6）數(shù)據(jù)的典型范圍。淺灰色陰影區(qū)域（由兩條虛線和圖邊界限定）表示大多數(shù)阿波羅任務(wù)（11、16、17號）樣品數(shù)據(jù)的分布范圍。
（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
月壤中的水之源
這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止于理解太陽風(fēng)的輻照歷史。太陽風(fēng)損傷形成的非晶環(huán)帶，恰恰是月球水資源的重要儲存庫。當(dāng)太陽風(fēng)中的氫離子撞擊硅酸鹽礦物時，會與其中的氧原子結(jié)合形成羥基或水分子，并被困在非晶層的納米級孔隙中。研究表明，超過73%的植入氫/氘被保存在完全非晶化的表層中，只有約25%擴(kuò)散到更深的部分晶化區(qū)域。
嫦娥五號樣品中發(fā)現(xiàn)的異常高水含量，可能正是其較厚的太陽風(fēng)損傷環(huán)帶所致。更快的環(huán)帶增長速率意味著更多的氫離子被植入和保存，形成了更豐富的水資源儲層。這一發(fā)現(xiàn)對未來月球基地的水資源利用具有重要意義，暗示著某些特定區(qū)域可能存在更高濃度的太陽風(fēng)成因水。
展望：破解月球演化的密碼
通過嫦娥五號和嫦娥六號樣品的對比研究，科學(xué)家們首次在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)了月球正背面太陽風(fēng)輻照的長期不對稱性。這種不對稱性不僅影響著月表物質(zhì)的風(fēng)化速率，還可能導(dǎo)致兩個半球在礦物組成、光譜特征、甚至揮發(fā)分分布等方面產(chǎn)生系統(tǒng)性差異。
然而，嫦娥五號樣品展現(xiàn)的異常高環(huán)帶增長速率提醒我們，月球表面的空間風(fēng)化過程比想象的更加復(fù)雜。局部因素如孔隙度、地形、溫度等的綜合作用，可能在某些區(qū)域創(chuàng)造出獨(dú)特的風(fēng)化環(huán)境。要完全理解這些過程，還需要更多不同地點(diǎn)的樣品分析，以及更精細(xì)的理論模型。
未來，隨著嫦娥七號、八號等后續(xù)任務(wù)的實(shí)施，以及國際月球科研站的建設(shè)，人類將獲得更多來自月球不同區(qū)域的樣品。通過系統(tǒng)地分析這些樣品中的太陽風(fēng)記錄，結(jié)合原位探測和遙感觀測，我們終將破解月球表面演化的完整密碼，為人類在月球上的長期駐留和資源開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。
千萬年來，太陽風(fēng)如同一位沉默的藝術(shù)家，在月球表面精雕細(xì)琢。而今天，通過顯微鏡下的微觀世界，我們正在學(xué)習(xí)解讀這位藝術(shù)家留下的每一道痕跡，理解宇宙風(fēng)化這一塑造天體表面的基本過程。嫦娥樣品的研究，讓我們距離完全理解這一過程又近了一步。
參考文獻(xiàn)：
【1】Liu, R., Zhang, X., Zhao, S.?et al.?Million-year solar wind irradiation recorded in chang’E-5 and chang’E-6 samples.?Nat Commun?16, 9197 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64239-8