月表中緯度高含量的太陽風成因水獲揭示

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月表水的來源與分布一直是國際上爭論和研究的熱點問題。近年來，遙感光譜探測數據發現，月表水（OH/H2O）的含量可能與緯度存在正相關，指示月表水是由太陽風發射的H離子高速注入月球表面形成的（圖1）。最新的研究表明，月表水的日變化可能也很顯著，暗示月表水有較高的丟失率。然而，遙感探測并不能識別水的來源，也無法得知水含量從表面向下的分布情況。因此，針對月表水的含量、成因和空間分布這些重要科學問題，中國科學院國家空間科學中心和中國科學院地質與地球物理研究所聯合團隊對嫦娥五號月壤樣品開展了實驗研究。聯合團隊利用納米離子探針-透射電鏡分析技術對月壤顆粒進行了H含量和同位素分析以及微觀結構研究。分析結果發現，嫦娥五號月壤顆粒的最表層（~100nm）具有很高的H含量（意味著具有很高的水含量）和極低的D/H同位素比值，證明其來自太陽。根據測定的H含量以及月壤樣品的粒徑分布，估算的嫦娥五號著陸區太陽風來源水為46ppm，與遙感結果一致。研究人員將部分顆粒加熱后，再進行納米離子探針分析。結果顯示，太陽風注入的H在顆粒表層可以很好的保存。基于嫦娥五號礦物和玻璃中發現的、具有不同形狀分布的H含量深度剖面結果，結合阿波羅已有的實驗數據，聯合團隊構建了一個太陽風H注入和加熱擴散丟失的動態平衡模型。該模型預測高緯度區域月壤顆粒表層含有很高的太陽風成因水。同時，基于該模擬結果，估算出的高緯月表水含量與遙感結果類似。

圖1. 來自太陽表面的高速氫離子注入到月球表面并富集在月壤顆粒表層

前人通過對遙感光譜探測的研究，發現月表OH/H2O的含量與緯度可能存在正相關性，即從赤道向兩極，隨著緯度增加水含量逐漸增加，在極區達到最高值。另外，研究還發現月表同一個地區早中晚水含量也有明顯的變化。比如，在赤道位置，月表水含量日變化可高達200 ppm，指示太陽風成因水在月球表面的丟失速率較高。美國阿波羅和蘇聯月球號采集的月球樣品均位于低緯區域（3.6°S-26.1°N），難以研究緯度（以及相關的月表溫度）對月表水含量可能產生的影響。我國嫦娥五號于2020年底成功著陸在月球，并采集返回了1.731kg月壤樣品。嫦娥五號的著陸點位于北緯43.06度，高于阿波羅和月球號的9個著陸區。此外，嫦娥五號著陸區玄武巖的年齡最年輕，約20億年。如此年輕、中緯度區域的月壤樣品，使我們有機會能對太陽風的演化、月表水循環和遷移等方面開展研究。

聯合團隊從兩份表取月壤（編號CE5C0400YJFM00409和CE5C0400YJFM00407）中選取了17個顆粒，包括硅酸鹽礦物（橄欖石、輝石、長石）和玻璃。利用在納米離子探針上最新研發的超高空間分辨的深度剖面分析技術，開展了H含量和同位素（D/H）的實驗分析，并對代表性顆粒開展了透射電鏡分析。盡管納米離子探針分析技術不能區分H的賦存形式（比如：H2、OH、H2O等），但高的H含量仍舊意味著高水含量的存在。聯合團隊獲得了顆粒中H含量隨深度的變化剖面，其縱向分辨率約為1nm（圖2）。分析結果顯示，嫦娥五號月壤顆粒的最表層100nm具有很高的H（可以理解為水）含量，該區域與透射電鏡觀測到的太空風化層的厚度相當。D/H同位素比值極低，δD值為-908‰至-992‰，證明高含量的H來自太陽。根據測定的H含量和月壤顆粒的粒度分布，研究人員估算了嫦娥五號月壤樣品整體的水（H2O）含量約為46ppm，與遙感結果一致。分析結果還發現，H含量深度剖面在玻璃和硅酸鹽礦物的最表層具有兩種不同的分布形態。在玻璃中，H含量的剖面在26±7nm的位置出現了一個峰（圖2A）；而在硅酸鹽礦物中，H含量總體呈現單調遞減的趨勢（圖2 B-D）。

圖2. 嫦娥五號月壤顆粒的H含量深度剖面及其太空風化層厚度

聯合團隊選取了其中一部分特征顆粒在180℃烘箱中加熱了28小時，然后再用納米離子探針分析。加熱分析結果顯示，太陽風注入的H在顆粒表層可以穩定保存。研究團隊基于加熱實驗分析結果，對不同溫度下月壤顆粒中H的保存開展了數值模擬，結果顯示太陽風成因水可在月表中、高緯度地區可以得到較好的保存（圖3A、3B）。

圖3. 數值模擬玻璃和硅酸鹽礦物中的H含量深度剖面（A、B）埋藏后，H的擴散丟失過程；（C、D）太陽風H注入和加熱擴散丟失的動態過程

由于嫦娥五號著陸于中緯度（表面溫度較低），而阿波羅任務著陸于低緯度區域（表面溫度較高），聯合團隊利用嫦娥五號月球樣品的實驗數據和阿波羅已有的研究結果，構建了一個太陽風H注入與加熱擴散丟失的動態平衡模型（圖3C、3D）。該模型預測月表高緯度區域月壤顆粒的最表層可能保存有很高含量的太陽風成因水。基于該模型的計算結果和月壤顆粒的粒度分布，估算出的水含量約為560 ppm，這與遙感結果類似。這一結果為月表不同緯度/溫度下，月壤顆粒中太陽風H的注入和遷移提供了重要的制約。