科学家确定了月球稀薄大气的起源

可能的月球大气源和汇。这些来源包括(A)流星体撞击蒸发(IV)，(B)太阳风离子溅射(IS)，和(C)光子刺激解吸(PSD)。撞击汽化和太阳风离子溅射从岩石中释放出原子，而PSD只释放弱束缚的吸附原子。一旦原子被IS或IV释放，它们中的一小部分通过重力逃逸消失在太空中。PSD由于能量低，不会引起任何引力逃逸。没有直接逃逸的原子可以在月球表面跳跃多次，直到它们最终消失在太空中，或者通过(E)光电离重新植入月球表面，或者(F)永久被困在月球表面。（图片：科学进展）

（蜘蛛网eeook.com）据麻省理工学院（Jennifer Chu）：虽然月球缺乏任何可呼吸的空气，但它确实拥有一个几乎不存在的大气层。自20世纪80年代以来，天文学家观察到一层非常薄的原子在月球表面反弹。这种微妙的大气——技术上称为“外逸层”——可能是某种太空风化的产物。但这些过程的确切内容很难确定。

现在，麻省理工学院和芝加哥大学的科学家们表示，他们已经确定了形成月球大气层并持续到今天的主要过程。在《科学进展》发表的一项研究中，该团队报告称，月球大气主要是“撞击汽化”的产物

在他们的研究中，研究人员分析了宇航员在美国宇航局阿波罗任务期间收集的月球土壤样本。

他们的分析表明，在月球45亿年的历史中，其表面一直受到持续的轰击，首先是巨大的陨石，然后是最近更小、尘埃大小的“微流星体”

这些持续的撞击使月球土壤隆起，在接触时蒸发了某些原子，并将粒子抛向空中。一些原子被喷射到太空中，而另一些原子则悬浮在月球上，形成一种稀薄的大气层，随着陨石不断撞击月球表面，这种大气层不断得到补充。

研究人员发现，撞击蒸发是月球在数十亿年内产生并维持其极薄大气层的主要过程。

“我们给出了一个明确的答案，即陨石撞击蒸发是形成月球大气层的主要过程，”该研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系助理教授Nicole Nie说。

“月球的年龄接近45亿年，在这段时间里，月球表面一直受到陨石的不断轰击。我们表明，最终，稀薄的大气层会达到稳定状态，因为它会不断地被月球上的小撞击所补充。”

聂的合著者是芝加哥大学的Nicolas Dauphas、Zhe Zhang和Timo Hopp，以及美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的Menelaos Sarantos。

2013年，美国国家航空航天局（NASA）发射了一艘绕月轨道飞行器，进行了一些详细的大气侦察。月球大气和尘埃环境探测器（LADEE，发音为“laddie”）的任务是远程收集有关月球稀薄大气、表面状况以及对月球尘埃的任何环境影响的信息。

LADEE的任务旨在确定月球大气层的起源。科学家们希望，探测器对土壤和大气成分的远程测量可能与某些太空风化过程相关，从而解释月球大气是如何形成的。

研究人员怀疑，两种空间风化过程在塑造月球大气方面发挥了作用：撞击汽化和“离子溅射”，这是一种涉及太阳风的现象，太阳风将高能带电粒子从太阳带到太空。当这些粒子撞击月球表面时，它们可以将能量传递给土壤中的原子，并使这些原子溅射并飞向空气。

聂说：“根据LADEE的数据，这两个过程似乎都在发挥作用。”。

“例如，它表明，在陨石雨期间，你会在大气中看到更多的原子，这意味着撞击会产生影响。但它也表明，当月球被遮挡在太阳之外时，比如在日食期间，大气中的原子也会发生变化，这意味着太阳也会受到影响。因此，结果并不清楚或定量。”

为了更精确地确定月球大气的起源，聂查看了美国国家航空航天局阿波罗任务期间宇航员收集的月球土壤样本。她和她在芝加哥大学的同事们采集了10个月球土壤样本，每个样本的含量约为100毫克，她估计这个量很小，可以装进一滴雨里。

聂试图首先从每个样品中分离出两种元素：钾和铷。这两种元素都是“挥发性的”，这意味着它们很容易被撞击和离子溅射蒸发。

每种元素都以几种同位素的形式存在。同位素是同一元素的变体，由相同数量的质子组成，但中子数量略有不同。例如，钾可以作为三种同位素中的一种存在，每种同位素都有一个中子，并且比最后一种稍重。同样，铷有两种同位素。

该团队推断，如果月球的大气层由蒸发并悬浮在空气中的原子组成，那么这些原子的较轻同位素应该更容易被释放，而较重的同位素更有可能重新沉积在土壤中。

此外，科学家预测，撞击蒸发和离子溅射会导致土壤中的同位素比例非常不同。然后，土壤中残留的钾和铷的轻同位素与重同位素的具体比例应该揭示出导致月球大气起源的主要过程。

考虑到这一切，聂分析了阿波罗的样品，首先将土壤粉碎成细粉，然后将粉末溶解在酸中，以纯化和分离含有钾和铷的溶液。然后，她将这些溶液通过质谱仪，测量每个样品中钾和铷的各种同位素。

研究小组发现，土壤中主要含有钾和铷的重同位素。研究人员能够量化钾和铷的重同位素与轻同位素的比率，通过比较这两种元素，他们发现撞击蒸发很可能是原子蒸发和升空形成月球大气层的主要过程。

聂说：“通过撞击汽化，大多数原子将留在月球大气层中，而通过离子溅射，许多原子将被喷射到太空中。”。

“根据我们的研究，我们现在可以量化这两个过程的作用，可以说撞击汽化与离子溅射的相对贡献约为70:30或更大。”换句话说，月球大气层的70%或更多是陨石撞击的产物，而剩下的30%是太阳风的结果。

剑桥大学研究月球土壤的博士后Justin Hu没有参与这项研究，他说：“由于将钾和铷同位素测量与仔细的定量建模相结合的创新理念，这种微妙效应的发现是显著的。”。

“这一发现超越了对月球历史的理解，因为这样的过程可能会发生，在其他卫星和小行星上可能更重要，而这些卫星和小行星是许多计划中的返回任务的重点。”

聂说：“如果没有这些阿波罗样本，我们将无法获得精确的数据和定量测量，从而更详细地了解事物。”。“对我们来说，从月球和其他行星体带回样本非常重要，这样我们就可以更清楚地了解太阳系的形成和演化。”