澳科大学者发表空间等离子与固体表面反应研究新成果
揭示太空辐射水及月球表面「锈蚀」之谜
近日，澳科大学者就空间等离子与固体表面反应研究发表新成果，揭示太空辐射水及月球表面「锈蚀」之谜。由于地外环境中的物质缺少大气层和磁场的保护，会常年经受来自太空中不同类型的等离子体辐射并发生一系列物理化学变化，该过程贯穿整个太阳系内物质的演化历史，也是行星科学及地外样品研究的焦点方向。澳门科技大学月球与行星科学全国重点实验室的金子梁助理教授与曾献棣博士后依托空间过程模拟实验平台，通过一系列系统的离子注入实验，模拟了太阳系空间辐射环境，在太阳系早期水的来源和月球表面的强氧化过程两个方面取得重要进展。
金子梁助理教授（右）和曾献棣博士后（左）正在观察辐射后的矿物样品
自太阳系形成以来，太阳系内所有物质都会持续受到来自各类带电粒子的辐照，其中氢离子占据其中绝大部分。学界普遍认为，这些氢离子冲击到太阳系天体的固态表面后，会在破坏岩石矿物的同时与其中的氧发生结合形成羟基（OH），甚至是水（H2O）。这一机制深远地影响了太阳系内所有小至尘埃颗粒，大至月球、水星等天体表面水的产生，甚至可能为早期太阳系内的行星星胚提供最初始的氢储库。然而，辐射氢离子的赋存过程会受到很多环境条件的影响，特别是从矿物的不同晶面取向和较高温度两个条件出发，辐射氢离子在矿物中的的具体表现此前仍是亟待解答的问题。针对这些疑惑，研究团队通过离子注入技术将低能氢离子注入到橄榄石（矽酸矿物中的一种）中，模拟太阳系内氢离子辐射岩石固体的过程，并探究不同晶面取向和温度条件下，注入的氢离子在橄榄石中的保存深度及其影响机制。
研究结果不仅揭示了矿物的不同晶面对氢离子注入表现出显著的辐射抗性差异，从而影响氢的保存深度，还表明了氢离子能在较高温度下依然能保留在矽酸矿物中，这意味着即便是在水星表面的高温环境下（＜430℃）依然能产生大量的太阳风辐射（太阳活动释放的带电粒子，其中绝大多数为氢离子）形成的水，以及在早期太阳星云时期较高温度环境下，大量辐射氢会保留在尘埃颗粒中，幷通过吸积过程为后续行星行胚发育提供丰富的水源。
此外，除了太阳系的全尺度空间环境，等离子-固体反应在地-月系统协同演化过程中的同样发挥着重要作用。此前，曾有学者通过解译遥感光谱，发现月球高纬度地区发现有赤铁矿信号（Fe2O3，即铁锈的主要成分）。然而，月球没有地球那样的氧气环境和大量的液态水，表面的铁元素是如何「生锈」的？针对这一问题，研究团队创造性地设计了离子辐射实验来模拟月球表面经受不同空间等离子体辐照的过程，揭示了来源于地球上层大气的氧离子是产生氧化的关键原因。
地球上大气层逃逸的氧离子通过地球风运输到月球示意图(图片来源：Osaka University/NASA)
地球在围绕太阳公转的过程中，无时无刻不遭受太阳风的辐射，当太阳风冲击到地球大气层时，会激发上层的大气粒子，使其发生电离并逃逸。这些逃逸的离子会在地球磁场的作用下，加速并沿特定轨迹行进，学界称这些逃逸的离子为「地球风」，主要成分包括氢、氧、氮等离子。月球在围绕地球公转的过程中，每月会有大约6天时间进入地球磁尾中，遭受地球风离子不断的轰击。基于此过程，研究团队设计了高能量的氧离子辐射模拟月表主要含铁物质可能经历的氧化过程，以及地球风中的高能量氢离子和太阳风的低能量氢离子辐射实验模拟氧化产物可能发生的还原过程。
结果表明，当月球运转到地球磁尾中，地球风中的氧离子能在无水的条件下高效地氧化含铁矿物中的铁元素，使其「生锈」（形成赤铁矿）；与此同时，低能量的太阳风氢离子不能有效还原赤铁矿；虽然高能量氢离子能还原产生的赤铁矿，但月球表面两极地区沉积的高能氢离子更少，这就导致了赤铁矿只出现和保存在高纬度地区。更重要的是，早在24亿年前，在大氧化事件后，地球的外大气层就出现氧气，这说明从那时候开始就可能持续不断有地球的氧或者其他粒子被运送到月球极区。未来嫦娥7号在月球极区的探测可能会揭开地月系统可能存在物质传递的神秘面纱。
上述研究成果以题目为Effects of Crystal Orientation and Temperature on Space Irradiation of Silicates和Earth Wind‐Driven Formation of Hematite on the Lunar Surface，分别发表在国际空间与地球物理权威期刊the Astrophysical Journal和Geophysical Research Letters上。此外，Nature新闻编辑部以题目：“The Moon is rusting — thanks to ‘wind’ blown all the way from Earth” 针对月表强氧化的研究发表专访报道，获得学界及大众广泛关注。参与研究的合作者包括澳科大的祝梦华教授，北京航空航天大学的徐璐媛副教授，美国亚利桑那州立大学Maitrayee Bose和Richard Hervig教授，中国地质科学院地质研究所龙涛研究员，美国Boston University的董川飞教授、黄子钰和王亮博士，及加拿大Memorial University of Newfoundland的Liam Morrissey教授等。
文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adfec9；
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL116170
