月球极地“生锈”了?地球竟成“幕后元凶”

　　近日，据国外媒体报道，科学家在月球极地发现了赤铁矿。按常理，月球上不应该出现这种需要氧气才能形成的矿物。科学家揭开了谜团：月球的“铁锈”是在从地球大气层“漏”过去的氧离子影响下形成的。那么，月球是如何“生锈”的?这一新发现为研究地球大气演化历史提供了哪些关键线索?对探索月球又有何意义和价值?

　　月球为什么会“生锈”?

　　月球一般被认为是一个极度干燥、缺氧的还原性环境。太阳风长久吹拂月球表面，其成分中的95%是氢离子，可以将氧化物还原。在阿波罗任务带回的月岩样品中，铁元素主要以金属铁和亚铁的形式存在，未发现过高价铁氧化物。

　　然而在2020年，科学家根据印度月船一号探测器的数据，在月球两极高纬度地区发现了赤铁矿的光谱信号。其主要分布于地形东侧和面向赤道侧，且近地球的一侧更为普遍。

　　这一发现使天体物理学界大为震惊，因为传统认识里，月球缺乏氧元素，不应该发生这种化学过程。随着研究的不断深入，科学家判断，月球赤铁矿的形成是受太阳风、地球磁层与地月轨道共同作用的结果，使月球“生锈”的氧气是从地球大气输送来的。

　　月球玄武岩中富含钛铁矿等矿物，微流星体和太阳风持续轰击，造成太空风化效应，在月球表面产生纳米级的单质铁。

　　与此同时，太阳风流经地球时，与地磁场相互作用，推动地球磁层向背离太阳的方向延伸，形成一个巨大的磁尾结构，其中包含了从地球高层大气逃逸的各种粒子，包括氧离子，形成吹向月球的“地球风”。据估算，过去3亿年间，地球的氧离子通过磁层损失了18%。

　　每当满月前后几天，月球会穿过地球磁尾区域，其中的高能氧离子撞击月球表面，同时月球进入地球阴影位置，太阳风氢离子被地球阻挡。这种独特的位置关系为月球表面氧化反应创造了条件，从而生成薄薄的赤铁矿层，使月球“生锈”。

　　而当月球脱离地球磁尾重新暴露在太阳风下，太阳风氢离子也会还原赤铁矿，但能量强度不足以完全逆转氧化效应。随着岁月流逝，月球表面的赤铁矿得以持续积累并稳定存在。

　　此外，由于地球磁尾将氧离子引导到高纬度地区，赤铁矿主要集中在月球两极附近。由于潮汐锁定效应，月球正面始终朝向地球，其接收到的氧离子量是月背的数十倍。所以月球正面的赤铁矿含量更高，形成了鲜明的“地向富集”特征。

　　地球大气演化的“档案馆”

　　月球“生锈”不仅是科学奇观，还为研究地球大气演化历史提供了独特窗口。留存于月壤和赤铁矿中的氧元素，可能为揭示地球“黑暗”时代历史提供新的线索，并有望解答地球氧气何时出现、地磁场形成时间，以及地月动力系统长期变化等问题。

　　过去数十亿年，地球板块运动和风化作用剧烈，不断销毁着古老的大气记录，并覆盖地质记录，导致“黑暗”时代的地球历史成谜。而月球表面地质活动停滞、环境稳定，赤铁矿中封存的氧同位素信息保存完整，可以作为追溯地球大气历史的珍贵素材。

　　最新研究提出，地球大气氧含量经历了3个阶段的演化：24亿年前近乎无氧、24亿～4.1亿年前低氧且波动、4.1亿年后达到现代富氧水平，为复杂生命的演化奠定基础。大气中氧同位素的占比反映了这种变化，如果能够通过研究得知月球赤铁矿中氧同位素的组成比例，则可能揭示地球不同时期的大气氧含量，填补当前研究空白。

　　赤铁矿真实图片

　　地球磁场的形成与演化过程，也可以通过月球赤铁矿的分布得到印证。地球磁尾的形成依赖于稳定的地磁场，而地球磁尾的氧离子输送效率直接取决于地磁场强度。地磁场增强时，磁尾范围扩大，氧离子输送量增加，赤铁矿形成速率加快，当地磁场减弱时，这一过程则明显放缓。

　　通过分析不同时期赤铁矿的丰度变化，科学家还可以反推地球磁场形成过程和强弱波动，为研究地核演化提供重要参考——地磁场的产生源于地核液态铁的对流运动，其强度变化直接反映了地核的动力学状态。

　　指明月球探索新方向

　　对月球“生锈”现象的发现和探索，不仅重塑了人类对地月系统的认知，更在月球科学研究、资源开发和深空探测等领域具有深远意义，为未来人类探索月球指明了新方向。

　　传统月球演化理论认为，地月系统的相互作用主要体现在引力层面(如潮汐作用)，物质交换可忽略不计。但赤铁矿的发现证实，地球仍在向月球输送物质，并已持续数十亿年，且对月球表面物质组成产生了显著的影响。

　　并且，科学家也正在重新审视月球的地质演化模型。例如，月球极地的矿物多样性并非仅由陨石撞击和火山活动决定，地球物质的输入已成为不可忽视的第三大因素。地球输送的不仅有氧气，还有氮、碳等元素，这些元素可能参与了月球表面有机分子的形成。

　　除此之外，赤铁矿的分布特征也为月球资源勘探提供了重要指引。月球上的铁矿物资源，包括金属铁和各类铁氧化物，都可能成为未来月球基地建设和深空探索的重要原材料。研究赤铁矿的形成过程，还可以帮助人们评估月球资源的可利用性——纳米铁颗粒的氧化程度直接影响月壤的金属提取效率，从而为制定资源开发方案提供依据。

　　随着人类对月球环境理解的不断深入，人们逐渐发现这个看似死寂的天体，实际上参与着复杂而动态的化学过程。这些过程不仅塑造了月球的地质特征，也为人们理解地球演化历史提供了宝贵线索，将在未来指引人类在探索宇宙的征途上行稳致远。

文章转载于：中国航天报·飞天科普周刊