嫦娥五號月壤揭示月表中緯度高含量太陽風成因水

　　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。有研究還發現，月表同一地區早中晚水含量有明顯變化。例如，在赤道位置，月表水含量日變化可達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），難以探究緯度（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1.731 kg月壤樣品。嫦娥五號的著陸點位于北緯43.06°，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，約為20億年。如此年輕、中緯度區域的月壤樣品，使科學家有機會對太陽風的演化、月表水循環和遷移等方面開展研究。

　　聯合團隊在兩份表取月壤（編號CE5C0400YJFM00409、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，該團隊開展了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（如H2、OH、H2O等），但高的H含量仍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1 nm（圖2）。分析結果顯示，嫦娥五號月壤顆粒的最表層100 nm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，dD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，研究估算了嫦娥五號月壤樣品整體的水（H2O）含量約為46 ppm，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分布形態。玻璃中，H含量的剖面在26±7 nm的位置出現了一個峰（圖2A）；而硅酸鹽礦物中，H含量總體呈現單調遞減的趨勢（圖2B-D）。

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

　　由于嫦娥五號著陸于中緯度（表面溫度較低），而阿波羅著陸于低緯度區域（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成果，構建了太陽風H注入與加熱擴散丟失的動態平衡模型（圖3C、D）。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。該研究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，與遙感結果類似。這一成果為月表不同緯度/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。

　　相關研究成果作為當期的研究亮點成果，發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。該成果由中國科學院國家空間科學中心和地質與地球物理研究所共同完成。研究工作得到國家自然科學基金、中科院重點部署項目、民用航天技術預先研究項目和地質地球所重點部署項目的支持。