虽然月球上没有可供呼吸的空气，但它却有一层稀薄的大气层。自 20 世纪 80 年代以来，天文学家就观察到月球表面有一层非常薄的原子层在四处跳跃。这层脆弱的大气层——技术上称为“外逸层”——很可能是某种太空风化的产物。但这些过程究竟是什么却很难确定。
现在，麻省理工学院和芝加哥大学的科学家表示，他们已经确定了月球大气形成和维持的主要过程。在今天发表在《科学进展》上的一项研究中，该团队报告称，月球大气主要是“撞击蒸发”的产物。
研究人员在研究中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，其表面一直受到轰击，首先是巨型陨石，然后是最近较小的尘埃大小的“微陨石”。这些持续的撞击使月球土壤凸起，接触时蒸发某些原子并将颗粒抛向空中。一些原子被喷射到太空中，而另一些则悬浮在月球上方，形成了一种稀薄的大气层，随着陨石不断撞击月球表面，大气层不断得到补充。
研究人员发现，撞击汽化是数十亿年来月球极稀薄大气层形成和维持的主要过程。
“我们给出的答案很明确，陨石撞击蒸发是形成月球大气的主要过程，”这项研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系助理教授 Nie 说道。“月球已有近 45 亿年的历史，在此期间，月球表面不断受到陨石的轰击。我们的研究表明，稀薄的大气最终会达到稳定状态，因为月球上的小撞击会不断补充它。”
聂志军的合著者是芝加哥大学的张哲和美国宇航局戈达德太空飞行中心的蒂莫·霍普。
风化作用
2013 年，NASA 发射了一颗月球轨道器，进行一些详细的大气侦察。月球大气和尘埃环境探测器 (LADEE) 的任务是远程收集有关月球稀薄大气、表面状况以及环境对月球尘埃的影响的信息。
LADEE 的任务是确定月球大气的起源。科学家希望探测器对土壤和大气成分的远程测量结果能够与某些太空风化过程联系起来，从而解释月球大气的形成过程。
研究人员怀疑，两种太空风化过程在月球大气的形成过程中发挥了作用：撞击蒸发和“离子溅射”——一种与太阳风有关的现象，太阳风携带来自太阳的高能带电粒子穿越太空。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，并将这些原子溅射到空气中。
“根据 LADEE 数据，似乎两种过程都在起作用，”聂说。“例如，它表明在陨石雨期间，大气中会出现更多原子，这意味着撞击会产生影响。但它也表明，当月球被太阳遮挡时，例如在日食期间，大气中的原子会发生变化，这意味着太阳也会产生影响。因此，结果并不明确或量化。”
答案就在土壤里
为了更准确地查明月球大气的来源，妮科尔·聂研究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。她和芝加哥大学的同事获得了 10 个月球土壤样本，每个样本含有约 100 毫克 - 她估计这一数量微不足道，相当于一滴雨滴的含量。
Nie 首先从每个样本中分离出两种元素：钾和铷。这两种元素都是“挥发性”元素，也就是说它们很容易通过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，钾可以以三种同位素中的一种形式存在，每种同位素比上一种多一个中子，重量略重。同样，铷也有两种同位素。
研究小组推断，如果月球大气是由蒸发并悬浮在空气中的原子组成的，那么这些原子中较轻的同位素应该更有可能被释放，而较重的同位素则更有可能返回土壤。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大不相同。土壤中钾和铷的轻同位素和重同位素的具体比例将揭示导致月球大气起源的主要过程。
考虑到这一点，妮科尔·聂对阿波罗样本进行了分析，首先将土壤碾碎成细粉，然后将粉末溶解在酸中，以净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，测量每个样本中钾和铷的各种同位素。
最后，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例，并通过比较这两种元素，发现撞击汽化可能是原子汽化和释放形成月球大气的主要过程。
“通过撞击蒸发，大多数原子将留在月球大气中，而通过离子溅射，许多原子将被喷射到太空中，”妮科尔·聂说。“从我们的研究中，我们现在可以量化这两个过程的作用，并说撞击蒸发与离子溅射的相对贡献约为 70:30 或更多。”换句话说，70% 或更多的月球大气是陨石撞击的产物，而剩下的 30% 则是太阳风的结果。
“发现如此微妙的效应非常了不起，这要归功于将钾和铷同位素测量与仔细的定量建模相结合的创新想法，”剑桥大学研究月球土壤的博士后研究员贾斯汀·胡 ( Hu) 表示，他没有参与这项研究。“这一发现超越了对月球历史的了解，因为此类过程很可能会发生，甚至可能在其他卫星和小行星上更为重要，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，我们就无法获得精确的数据和定量测量，从而无法更详细地了解事物。从月球和其他行星带回样本对我们来说很重要，这样我们才能更清楚地描绘出太阳系的形成和演化。”
这项工作得到了美国国家航空航天局和美国国家科学基金会的部分支持。
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