(相關(guān)資料圖)
月表水的來源與分布一直是國際上爭論和研究的熱點(diǎn)問題。近年來，遙感光譜探測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，月表水（OH/H2O）的含量可能與緯度存在正相關(guān)，指示月表水是由太陽風(fēng)發(fā)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(xué)問題，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)對嫦娥五號月壤樣品開展了實(shí)驗(yàn)研究。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用納米離子探針-透射電鏡分析技術(shù)對月壤顆粒進(jìn)行了H含量和同位素分析以及微觀結(jié)構(gòu)研究。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(jù)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(qū)太陽風(fēng)來源水為46ppm，與遙感結(jié)果一致。研究人員將部分顆粒加熱后，再進(jìn)行納米離子探針分析。結(jié)果顯示，太陽風(fēng)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(fā)現(xiàn)的、具有不同形狀分布的H含量深度剖面結(jié)果，結(jié)合阿波羅已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個太陽風(fēng)H注入和加熱擴(kuò)散丟失的動態(tài)平衡模型。該模型預(yù)測高緯度區(qū)域月壤顆粒表層含有很高的太陽風(fēng)成因水。同時，基于該模擬結(jié)果，估算出的高緯月表水含量與遙感結(jié)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(fā)現(xiàn)月表OH/H2O的含量與緯度可能存在正相關(guān)性，即從赤道向兩極，隨著緯度增加水含量逐漸增加，在極區(qū)達(dá)到最高值。另外，研究還發(fā)現(xiàn)月表同一個地區(qū)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(dá)200 ppm，指示太陽風(fēng)成因水在月球表面的丟失速率較高。美國阿波羅和蘇聯(lián)月球號采集的月球樣品均位于低緯區(qū)域（3.6°S-26.1°N），難以研究緯度（以及相關(guān)的月表溫度）對月表水含量可能產(chǎn)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(diǎn)位于北緯43.06度，高于阿波羅和月球號的9個著陸區(qū)。此外，嫦娥五號著陸區(qū)玄武巖的年齡最年輕，約20億年。如此年輕、中緯度區(qū)域的月壤樣品，使我們有機(jī)會能對太陽風(fēng)的演化、月表水循環(huán)和遷移等方面開展研究。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)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(fā)的超高空間分辨的深度剖面分析技術(shù)，開展了H含量和同位素（D/H）的實(shí)驗(yàn)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(shù)不能區(qū)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(lián)合團(tuán)隊(duì)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(jié)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(qū)域與透射電鏡觀測到的太空風(fēng)化層的厚度相當(dāng)。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(jù)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(jié)果一致。分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，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(tài)。在玻璃中，H含量的剖面在26±7nm的位置出現(xiàn)了一個峰（圖2A）；而在硅酸鹽礦物中，H含量總體呈現(xiàn)單調(diào)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(fēng)化層厚度
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)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(jié)果顯示，太陽風(fēng)注入的H在顆粒表層可以穩(wěn)定保存。研究團(tuán)隊(duì)基于加熱實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，對不同溫度下月壤顆粒中H的保存開展了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示太陽風(fēng)成因水可在月表中、高緯度地區(qū)可以得到較好的保存（圖3A、3B）。
圖3. 數(shù)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(kuò)散丟失過程；（C、D）太陽風(fēng)H注入和加熱擴(kuò)散丟失的動態(tài)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(wù)著陸于低緯度區(qū)域（表面溫度較高），聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用嫦娥五號月球樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和阿波羅已有的研究結(jié)果，構(gòu)建了一個太陽風(fēng)H注入與加熱擴(kuò)散丟失的動態(tài)平衡模型（圖3C、3D）。該模型預(yù)測月表高緯度區(qū)域月壤顆粒的最表層可能保存有很高含量的太陽風(fēng)成因水?；谠撃Ｐ偷挠?jì)算結(jié)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(jié)果類似。這一結(jié)果為月表不同緯度/溫度下，月壤顆粒中太陽風(fēng)H的注入和遷移提供了重要的制約。
上述研究成果在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表?？臻g中心徐于晨副研究員和地質(zhì)地球所田恒次副研究員為共同第一作者，通訊作者是地質(zhì)地球所林楊挺研究員。論文信息：徐于晨#，田恒次#，張馳，Marc Chaussidon, 林楊挺*，郝佳龍，李瑞瑛，谷立新，楊蔚，黃莉瑩，都駿，楊亞洲，劉洋，賀懷宇，鄒永廖，李獻(xiàn)華，吳福元. High abundance of solar wind-derived water in lunar soils from the middle latitude. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022. DOI: 10.1073/pnas.2214395119。該研究得到國家自然科學(xué)基金（41973064，42103035，42230206）、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（QYZDJ-SSW-DQC001，ZDBS-SSW-JSC007）、民用航天技術(shù)預(yù)先研究項(xiàng)目（D020201，D020203）和中科院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-202101）的支持。
標(biāo)簽： 嫦娥五號
