月球正反面，風化差千萬年！嫦娥樣品首次揭示太陽風雕刻密碼
在寂靜的月球表面，有一位永不停歇的“雕刻師”——太陽風。這股來自太陽的帶電粒子流，以每秒數百公里的速度持續衝擊月表，日復一日，年復一年，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，中國科學家首次揭示：在月球正面與背面之間，存在着以千萬年計的太陽風輻照差異，這一發現爲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
太陽風主要由氫離子和氦離子組成，它們攜帶着約每核子 1 千電子伏特的能量。當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的損傷環帶。
這種環帶就像樹木的年輪，記錄着顆粒在月球表面暴露的時間長短和經歷的太陽風輻照強度。與此同時，來自太陽的高能粒子則能穿透更深，在礦物內部留下輻射徑跡，成爲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暴洋東北部（北緯 43.058 度，西經 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 153.978 度）採集月壤樣本。這兩批來自月球不同半球、跨越時空的珍貴樣品，爲科學家提供了前所未有的機會，得以比較月球不同區域在空間風化作用上的差異。
來自中國科學院地球化學研究所的研究團隊，聯合中國科學院國家空間科學中心、澳門科技大學、雲南大學和吉林大學的科學家們，對這些珍貴樣品展開了細緻入微的分析。研究人員精心挑選了 15 顆具有清晰月表暴露特徵的長石顆粒。這些顆粒表面都帶有微隕石撞擊坑或熔融濺射物的痕跡，無聲地訴說着它們在月球表面經歷的漫長歲月。
通過聚焦離子束切片技術，研究人員製備了約 100 納米厚的超薄切片。在透射電子顯微鏡下，這些切片展現出了令人驚歎的微觀世界：最表層是太陽風損傷形成的非晶環帶，厚度從 19 納米到 109 納米不等；而在其下方的晶體基質中，密佈着太陽高能粒子留下的輻射徑跡，如同繁星點點。
代表性研究顆粒的顯微特徵 (a)研究樣品CE6-PL1顆粒的二次電子（SE）圖像。綠色矩形區域爲聚焦離子束（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基質之間的界面。(c) STEM圖像、定量TEM-EDS元素分佈圖及對應的元素剖面，顯示了空間風化邊緣層的結構特徵。白色箭頭和虛框分別指示蒸汽沉積層與太陽風損傷層。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。（圖片來源：參考文獻1）
地球磁場的守護與偏心
研究發現了一個引人深思的現象：來自月球背面中緯度地區的嫦娥六號樣品，其太陽風損傷環帶的增長速率爲每百萬年 33.21±6.16 納米，明顯高於來自月球正面赤道附近的阿波羅 11 號、16 號和 17 號樣品（分別爲 25.10±1.76、23.52±5.36 和 25.40±2.32 納米每百萬年）。這一差異背後，隱藏着地球磁場對月球施加的不對稱保護。
月球在 28 天的軌道週期中，約有 7 天時間處於地球磁層範圍內，其中大約 4 天深入磁尾區域。當月球正面朝向太陽時，其中心區域約有一半時間受到地球磁尾的庇護，太陽風粒子被有效屏蔽。而月球背面在向陽時則完全暴露在太陽風的直接轟擊之下，沒有任何地磁保護。這種週期性的、不對稱的屏蔽效應，在千萬年的時間尺度上累積，最終在月壤顆粒的微觀結構中留下了可以測量的印記。
通過霍爾磁流體動力學模擬，科學家們重建了月球表面的太陽風通量分佈圖。模擬結果清晰地顯示，月球背面的太陽風通量普遍高於正面，特別是在中高緯度地區，這種差異更爲顯著。這與嫦娥六號樣品顯示的較高環帶增長速率完全吻合，有力支持了地球磁層調製月球太陽風輻照的理論。
異常高速的風化之謎
然而，研究中最令人意外的發現來自嫦娥五號樣品。這些採自月球正面北緯 43 度的樣品，展現出了所有測試樣品中最高的太陽風損傷環帶增長速率——每百萬年 55.96±10.82 納米。這一數值不僅高於月球背面的嫦娥六號樣品，更是遠超同在月球正面的阿波羅樣品。
這一異常現象暗示着，除了地球磁場的影響外，還有其他因素在控制着月表的太陽風輻照效應。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離子散射，使太陽風粒子與更多礦物顆粒相互作用，從而加速非晶環帶的形成。實地測量顯示，嫦娥五號着陸區的原位孔隙度比嫦娥六號高出約 10%，這可能是導致其環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通量。此外，嫦娥五號和嫦娥六號着陸區的表面溫度條件也存在差異。較低的溫度可能更有利於輻照損傷的累積，因爲熱退火效應會被抑制。實驗研究表明，在約 500 開爾文以上，礦物晶格的動態退火效應會顯著增強，部分抵消輻照造成的損傷。
嫦娥與阿波羅任務月壤顆粒中太陽風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號任務的月壤顆粒中太陽風（SW）損傷層厚度與暴露年齡的關係。不同任務的樣品以不同符號區分：淺藍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）。淺藍色與黃色陰影區域分別表示嫦娥五號（CE-5）與嫦娥六號（CE-6）數據的典型範圍。淺灰色陰影區域（由兩條虛線和圖邊界限定）表示大多數阿波羅任務（11、16、17號）樣品數據的分佈範圍。（圖片來源：參考文獻1）
月壤中的水之源
這項研究的意義遠不止於理解太陽風的輻照歷史。太陽風損傷形成的非晶環帶，恰恰是月球水資源的重要儲存庫。當太陽風中的氫離子撞擊硅酸鹽礦物時，會與其中的氧原子結合形成羥基或水分子，並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%擴散到更深的部分晶化區域。
嫦娥五號樣品中發現的異常高水含量，可能正是其較厚的太陽風損傷環帶所致。更快的環帶增長速率意味着更多的氫離子被植入和保存，形成了更豐富的水資源儲層。這一發現對未來月球基地的水資源利用具有重要意義，暗示着某些特定區域可能存在更高濃度的太陽風成因水。
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，科學家們首次在實驗室中證實了月球正背面太陽風輻照的長期不對稱性。這種不對稱性不僅影響着月表物質的風化速率，還可能導致兩個半球在礦物組成、光譜特徵、甚至揮發分分佈等方面產生系統性差異。
然而，嫦娥五號樣品展現的異常高環帶增長速率提醒我們，月球表面的空間風化過程比想象的更加複雜。局部因素如孔隙度、地形、溫度等的綜合作用，可能在某些區域創造出獨特的風化環境。要完全理解這些過程，還需要更多不同地點的樣品分析，以及更精細的理論模型。
未來，隨着嫦娥七號、八號等後續任務的實施，以及國際月球科研站的建設，人類將獲得更多來自月球不同區域的樣品。通過系統地分析這些樣品中的太陽風記錄，結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，爲人類在月球上的長期駐留和資源開發奠定堅實的科學基礎。
千萬年來，太陽風如同一位沉默的藝術家，在月球表面精雕細琢。而今天，通過顯微鏡下的微觀世界，我們正在學習解讀這位藝術家留下的每一道痕跡，理解宇宙風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
[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
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