嫦娥五号月壤揭示月表中纬度高含量太阳风成因水

　　前人通过对遥感光谱探测的研究发现，月表OHH2O的含量与纬度可能存在正相关性，即从赤道向两极，随着纬度增加水含量逐渐增加，在极区达到最高值。有研究还发现，月表同一地区早中晚水含量有明显变化。例如，在赤道位置，月表水含量日变化可达200ppm，指示太阳风成因水在月球表面的丢失速率较高。美国阿波罗和苏联月球号采集的月球样品均位于低纬区域（3。6S26。1N），难以探究纬度（以及相关的月表温度）对月表水含量可能产生的影响。我国嫦娥五号于2020年底成功着陆在月球，并采集返回了1。731kg月壤样品。嫦娥五号的着陆点位于北纬43。06，高于阿波罗和月球号的9个着陆区。此外，嫦娥五号着陆区玄武岩的年龄最年轻，约为20亿年。如此年轻、中纬度区域的月壤样品，使科学家有机会对太阳风的演化、月表水循环和迁移等方面开展研究。
　　联合团队在两份表取月壤（编号CE5C0400YJFM00409、CE5C0400YJFM00407）中选取了17个颗粒，包括硅酸盐矿物（橄榄石、辉石、长石）和玻璃。利用在纳米离子探针上最新研发的超高空间分辨的深度剖面分析技术，该团队开展了H含量和同位素（DH）的实验分析，并对代表性颗粒开展了透射电镜分析。尽管纳米离子探针分析技术不能区分H的赋存形式（如H2、OH、H2O等），但高的H含量仍意味着高水含量的存在。联合团队获得了颗粒中H含量随深度的变化剖面，其纵向分辨率约为1nm（图2）。分析结果显示，嫦娥五号月壤颗粒的最表层100nm具有很高的H（可以理解为水）含量，该区域与透射电镜观测到的太空风化层的厚度相当。DH同位素比值极低，dD值为908至992，证明高含量的H来自太阳。根据测定的H含量和月壤颗粒的粒度分布，研究估算了嫦娥五号月壤样品整体的水（H2O）含量约为46ppm，与遥感结果一致。分析结果还发现，H含量深度剖面在玻璃和硅酸盐矿物的最表层具有两种分布形态。玻璃中，H含量的剖面在267nm的位置出现了一个峰（图2A）；而硅酸盐矿物中，H含量总体呈现单调递减的趋势（图2BD）。
　　联合团队选取其中一部分特征颗粒在180烘箱中加热了28小时，然后利用纳米离子探针分析。加热分析结果显示，太阳风注入的H在颗粒表层可稳定保存。科研团队基于加热实验分析结果，对不同温度下月壤颗粒中H的保存开展数值模拟，显示太阳风成因水可在月表中、高纬度地区得到较好保存（图3A、B）。
　　由于嫦娥五号着陆于中纬度（表面温度较低），而阿波罗着陆于低纬度区域（表面温度较高），联合团队利用嫦娥五号月球样品的实验数据和阿波罗已有的研究成果，构建了太阳风H注入与加热扩散丢失的动态平衡模型（图3C、D）。该模型预测月表高纬度区域月壤颗粒的最表层可能保存有很高含量的太阳风成因水。该研究基于该模型的计算结果和月壤颗粒的粒度分布，估算出的水含量约为560ppm，与遥感结果类似。这一成果为月表不同纬度温度下，月壤颗粒中太阳风H的注入和迁移提供了重要的制约。
　　相关研究成果作为当期的研究亮点成果，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。该成果由中国科学院国家空间科学中心和地质与地球物理研究所共同完成。研究工作得到国家自然科学基金、中科院重点部署项目、民用航天技术预先研究项目和地质地球所重点部署项目的支持。
　　图1。来自太阳表面的高速氢离子注入到月球表面并富集在月壤颗粒表层
　　图2。嫦娥五号月壤颗粒的H含量深度剖面及其太空风化层厚度
　　图3。数值模拟玻璃和硅酸盐矿物中的H含量深度剖面。（A、B）埋藏后，H的扩散丢失过程；（C、D）太阳风H注入和加热扩散丢失的动态过程。