在浩瀚宇宙中，月球表面正經(jīng)歷著一場無聲卻持續(xù)的“雕刻”。這場“雕刻”的主角，是來自太陽的帶電粒子流——太陽風(fēng)。它以每秒數(shù)百公里的速度，年復(fù)一年地沖擊著月球表面，在礦物顆粒上留下獨(dú)特的印記，如同一位不知疲倦的藝術(shù)家。

近日，中國科學(xué)家通過對嫦娥五號(hào)和嫦娥六號(hào)探測器帶回的月壤樣品展開深入研究，發(fā)現(xiàn)月球正面與背面在太陽風(fēng)輻照方面存在以千萬年為時(shí)間尺度的顯著差異。這一發(fā)現(xiàn)，為揭開月球表面演化歷史的新篇章提供了關(guān)鍵線索。

太陽風(fēng)主要由氫離子和氦離子構(gòu)成，這些粒子攜帶約每核子1千電子伏特的能量。當(dāng)它們高速撞擊月球表面的礦物顆粒時(shí)，就像無數(shù)微小的子彈不斷沖擊，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)帶如同樹木的年輪，記錄著顆粒在月球表面暴露的時(shí)間以及所經(jīng)歷的太陽風(fēng)輻照強(qiáng)度。同時(shí)，來自太陽的高能粒子能穿透更深，在礦物內(nèi)部留下輻射徑跡，仿佛是一本記錄宇宙射線歷史的特殊“天書”。

2020年12月17日，嫦娥五號(hào)探測器從月球正面的風(fēng)暴洋東北部成功帶回1.731公斤月壤；2024年6月25日，嫦娥六號(hào)探測器首次從月球背面的南極 - 艾特肯盆地采集月壤樣本。這兩批來自月球不同半球、跨越時(shí)空的珍貴樣品，為科學(xué)家提供了比較月球不同區(qū)域空間風(fēng)化作用差異的絕佳機(jī)會(huì)。

中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所聯(lián)合多家科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，對這些樣品進(jìn)行了細(xì)致分析。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，這些顆粒表面帶有微隕石撞擊坑或熔融濺射物的痕跡，見證了它們在月球表面的漫長歲月。借助聚焦離子束切片技術(shù)，研究人員制備出約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)出奇妙的微觀世界：最表層是太陽風(fēng)損傷形成的非晶環(huán)帶，厚度在19納米到109納米不等；下方晶體基質(zhì)中，密布著太陽高能粒子留下的輻射徑跡，如繁星般閃爍。

研究發(fā)現(xiàn)，月球背面中緯度地區(qū)的嫦娥六號(hào)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，明顯高于月球正面赤道附近的阿波羅11號(hào)、16號(hào)和17號(hào)樣品。這一差異的背后，是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7天處于地球磁層范圍內(nèi)，其中約4天深入磁尾區(qū)域。當(dāng)月球正面朝向太陽時(shí)，中心區(qū)域約一半時(shí)間受地球磁尾庇護(hù)，太陽風(fēng)粒子被有效屏蔽；而月球背面向陽時(shí)則完全暴露在太陽風(fēng)直接轟擊下，無地磁保護(hù)。這種周期性、不對稱的屏蔽效應(yīng)，在千萬年時(shí)間尺度上累積，最終在月壤顆粒微觀結(jié)構(gòu)中留下可測量的印記。科學(xué)家通過霍爾磁流體動(dòng)力學(xué)模擬重建了月球表面太陽風(fēng)通量分布圖，模擬結(jié)果與嫦娥六號(hào)樣品顯示的高環(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。

然而，研究中最令人意外的是嫦娥五號(hào)樣品的發(fā)現(xiàn)。這些采自月球正面北緯43度的樣品，太陽風(fēng)損傷環(huán)帶增長速率高達(dá)每百萬年55.96±10.82納米，不僅高于月球背面的嫦娥六號(hào)樣品，更遠(yuǎn)超同在月球正面的阿波羅樣品。

對于這一異常現(xiàn)象，研究人員提出了幾種可能解釋。一是月壤孔隙度差異。模擬研究表明，高孔隙度月壤能增強(qiáng)離子散射，使太陽風(fēng)粒子與更多礦物顆粒相互作用，加速非晶環(huán)帶形成。實(shí)地測量顯示，嫦娥五號(hào)著陸區(qū)原位孔隙度比嫦娥六號(hào)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。二是局部地形坡度和朝向的影響。陡峭斜坡能減小太陽天頂角，增大單位面積接收的太陽風(fēng)通量。嫦娥五號(hào)和嫦娥六號(hào)著陸區(qū)表面溫度條件存在差異，較低溫度可能更有利于輻照損傷累積，因?yàn)闊嵬嘶鹦?yīng)會(huì)被抑制。實(shí)驗(yàn)研究表明，約500開爾文以上，礦物晶格動(dòng)態(tài)退火效應(yīng)顯著增強(qiáng)，會(huì)部分抵消輻照造成的損傷。

這項(xiàng)研究的意義不僅在于理解太陽風(fēng)輻照歷史。太陽風(fēng)損傷形成的非晶環(huán)帶是月球水資源的重要儲(chǔ)存庫。當(dāng)太陽風(fēng)中的氫離子撞擊硅酸鹽礦物時(shí)，會(huì)與氧原子結(jié)合形成羥基或水分子，并被困在非晶層納米級(jí)孔隙中。研究表明，超過73%的植入氫/氘保存在完全非晶化的表層中，約25%擴(kuò)散到更深部分晶化區(qū)域。嫦娥五號(hào)樣品中發(fā)現(xiàn)的異常高水含量，可能正是其較厚太陽風(fēng)損傷環(huán)帶所致。更快的環(huán)帶增長速率意味著更多氫離子被植入和保存，形成更豐富水資源儲(chǔ)層，這對未來月球基地水資源利用具有重要意義，暗示某些特定區(qū)域可能存在更高濃度太陽風(fēng)成因水。

通過對嫦娥五號(hào)和嫦娥六號(hào)樣品的對比研究，科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室證實(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月表物質(zhì)風(fēng)化速率，還可能導(dǎo)致兩個(gè)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。不過，嫦娥五號(hào)樣品展現(xiàn)的異常高環(huán)帶增長速率提醒我們，月球表面空間風(fēng)化過程比想象更復(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)特風(fēng)化環(huán)境。要完全理解這些過程，還需更多不同地點(diǎn)樣品分析以及更精細(xì)理論模型。