地球为什么能让没有氧气的月球“生锈”？

2021-03-09 15:32:34 作者：本网整理来源：赛先生分享至：

最近，发表在《Science Advances》期刊的一项研究证实，月球表面高纬度地区存在赤铁矿（Fe?O?），这是个让人浮想联翩的发现，毕竟Fe?O?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？

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图源：reddit.com

此前关于月球表面是否存在正三价铁物质的问题，在科学界一直都非常有争议。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Fe?O?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。

月亮也是会“生锈”的

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。

人们尝试采用各种防锈措施，但仍旧无法逃脱锈迹斑斑的命运，只能做到延缓这一过程。这就像生命一样，无法避免衰老。实际上无论是金属的生锈，还是生命的衰亡，都是氧化反应在起作用，而让这一过程进行所必需的成分，便是生活中无处不在的氧气（O），它在维持机体正常生命活动的同时，也在慢慢地消耗我们的寿命。这是一种化学性质十分活跃的气体。

除了氧气之外，金属的氧化锈蚀还需要水（H?O）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，锈蚀时刻准备趁虚而入，尤其是在潮湿的天气下。铁锈的主要成分为三氧化二铁（Fe?O?），这是一种三价铁物质（铁元素的化合价为正三价），也称为氧化铁，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。

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赤铁矿图源：flickr.com

赤铁矿在太阳系其他类地行星上也很常见。火星被称为“红色行星”，即是因为表面被赤铁矿所覆盖。

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。

月球南北半球地形图，橙色区域表示赤铁矿的分布。图源：Shuai Li, HIGP, U of Hawaii; NASA LRO WAC / ASU

这让人十分意外，要知道铁生锈是一种氧化反应，需要氧气和水的共同参与，但月球表面即没有大气层，也没有液态或气态水，因此并不具备像地球那样的氧化条件，那月球表面怎么生锈的呢？赤铁矿从何而来？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

图源：Shuai Li, HIGP, U of Hawaii; NASA LRO WAC / ASU

地球为何能让月亮“生锈”

月球是地球唯一的天然卫星，也是距离地球最近的星球，平均距离仅为38万公里。两者在万有引力的作用下，相互绕转（围绕共同质心）长达数十亿年之久，彼此间有着紧密而又复杂的协同演化关系。月球的质量较小，仅为地球的1/81，表面引力场约为地球的1/6，使其无法束缚住月面的气体，因此月球没有大气，再加上月球的磁场微弱到几乎不存在，这使太阳风、星际尘埃颗粒和小型天体能够肆无忌怠地轰击月球表面。

图源：NASA

太阳风是来自于太阳日冕层的高能带电粒子流（等离子流），主要成分为氢原子核（H+，也就是质子）和电子（e-），它们在与其他物质的化学反应中起到还原剂的作用，使参与反应的元素增加电子，从而降低化合价；而与之相反的氧化反应（氧元素作为氧化剂）则是移除电子，增加元素的化合价。因此月球表面和内部具有高度的还原性，非常不利于赤铁矿的形成。前面也提到，地球上铁的氧化锈蚀还需要氧气和水的共同参与，很明显月球表面并不具备这些条件。

那么，月球高纬度地区的氧化条件是如何形成的？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）”。

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太阳风与地磁场示意图，图源：NASA

月球围绕地球公转的周期约为30天，且公转轨道与地球磁尾有交叠，因此月球在每个月里会定期穿过地球的磁尾。由于磁尾位于太阳的反方向，月球穿过磁尾大概是在满月前后的6天时间里，在这段特别的时间里，磁尾中的磁场将为月球阻挡99%以上的太阳风，使月面的还原性大减，同时地球风又输送来氧化反应所必须的氧离子（当然量不会太多），这些条件为赤铁矿的形成提供了一个短暂的窗口期。在围绕地球运行的过程中，月球总是以同一面朝向地球，因此这一面（正面）理应接受到更多的氧离子，而此项研究也确实证实了赤铁矿主要存在于月球正面。

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，那么水要里从哪来？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。

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、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。