月球正反面，风化差千万年！嫦娥样品首次揭示太阳风雕刻密码

在寂静的月球表面，有一位永不停歇的“雕刻师”——太阳风。这股来自太阳的带电粒子流，以每秒数百公里的速度持续冲击月表，日复一日，年复一年，在矿物颗粒表面悄然刻下时光的印记。

如今，通过分析嫦娥五号和嫦娥六号探测器带回的珍贵月壤样品，中国科学家首次揭示：在月球正面与背面之间，存在着以千万年计的太阳风辐照差异，这一发现为理解月球表面的演化历史打开了新的窗口。

来自太空的无声雕刻师

太阳风主要由氢离子和氦离子组成，它们携带着约每核子 1 千电子伏特的能量。当这些高速粒子撞击月球表面的矿物颗粒时，就像微小的子弹不断轰击，逐渐在颗粒表面形成一层非晶质的损伤环带。

这种环带就像树木的年轮，记录着颗粒在月球表面暴露的时间长短和经历的太阳风辐照强度。与此同时，来自太阳的高能粒子则能穿透更深，在矿物内部留下辐射径迹，成为另一本记录宇宙射线历史的天书。

跨越 38 万公里的样品之旅

2020 年 12 月 17 日，嫦娥五号探测器成功从月球正面的风暴洋东北部（北纬 43.058 度，西经 51.916 度）带回 1.731 公斤月壤。时隔三年半，2024 年 6 月 25 日，嫦娥六号探测器创造历史，首次从月球背面的南极-艾特肯盆地（南纬 41.625 度，西经 153.978 度）采集月壤样本。这两批来自月球不同半球、跨越时空的珍贵样品，为科学家提供了前所未有的机会，得以比较月球不同区域在空间风化作用上的差异。

来自中国科学院地球化学研究所的研究团队，联合中国科学院国家空间科学中心、澳门科技大学、云南大学和吉林大学的科学家们，对这些珍贵样品展开了细致入微的分析。研究人员精心挑选了 15 颗具有清晰月表暴露特征的长石颗粒。这些颗粒表面都带有微陨石撞击坑或熔融溅射物的痕迹，无声地诉说着它们在月球表面经历的漫长岁月。

通过聚焦离子束切片技术，研究人员制备了约 100 纳米厚的超薄切片。在透射电子显微镜下，这些切片展现出了令人惊叹的微观世界：最表层是太阳风损伤形成的非晶环带，厚度从 19 纳米到 109 纳米不等；而在其下方的晶体基质中，密布着太阳高能粒子留下的辐射径迹，如同繁星点点。

代表性研究颗粒的显微特征 (a)研究样品CE6-PL1颗粒的二次电子（SE）图像。绿色矩形区域为聚焦离子束（FIB）截取位置。颗粒表面可见微陨石撞击坑及溅射熔融痕迹。(b, d)颗粒表面的扫描透射电子显微镜（STEM）及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。黑色虚线表示非晶边缘层与晶质基质之间的界面。(c) STEM图像、定量TEM-EDS元素分布图及对应的元素剖面，显示了空间风化边缘层的结构特征。白色箭头和虚框分别指示蒸汽沉积层与太阳风损伤层。注：FIB、STEM、HRTEM和TEM-EDS分别代表聚焦离子束、扫描透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和透射电子显微镜能谱分析技术。（图片来源：参考文献1）

地球磁场的守护与偏心

研究发现了一个引人深思的现象：来自月球背面中纬度地区的嫦娥六号样品，其太阳风损伤环带的增长速率为每百万年 33.21±6.16 纳米，明显高于来自月球正面赤道附近的阿波罗 11 号、16 号和 17 号样品（分别为 25.10±1.76、23.52±5.36 和 25.40±2.32 纳米每百万年）。这一差异背后，隐藏着地球磁场对月球施加的不对称保护。

月球在 28 天的轨道周期中，约有 7 天时间处于地球磁层范围内，其中大约 4 天深入磁尾区域。当月球正面朝向太阳时，其中心区域约有一半时间受到地球磁尾的庇护，太阳风粒子被有效屏蔽。而月球背面在向阳时则完全暴露在太阳风的直接轰击之下，没有任何地磁保护。这种周期性的、不对称的屏蔽效应，在千万年的时间尺度上累积，最终在月壤颗粒的微观结构中留下了可以测量的印记。

通过霍尔磁流体动力学模拟，科学家们重建了月球表面的太阳风通量分布图。模拟结果清晰地显示，月球背面的太阳风通量普遍高于正面，特别是在中高纬度地区，这种差异更为显著。这与嫦娥六号样品显示的较高环带增长速率完全吻合，有力支持了地球磁层调制月球太阳风辐照的理论。

异常高速的风化之谜

然而，研究中最令人意外的发现来自嫦娥五号样品。这些采自月球正面北纬 43 度的样品，展现出了所有测试样品中最高的太阳风损伤环带增长速率——每百万年 55.96±10.82 纳米。这一数值不仅高于月球背面的嫦娥六号样品，更是远超同在月球正面的阿波罗样品。

这一异常现象暗示着，除了地球磁场的影响外，还有其他因素在控制着月表的太阳风辐照效应。研究人员提出了几种可能的解释。首先是月壤的孔隙度差异。模拟研究表明，高孔隙度的月壤能增强离子散射，使太阳风粒子与更多矿物颗粒相互作用，从而加速非晶环带的形成。实地测量显示，嫦娥五号着陆区的原位孔隙度比嫦娥六号高出约 10%，这可能是导致其环带增长速率异常的重要因素。

其次，局部地形的坡度和朝向也可能发挥作用。陡峭的斜坡能有效减小太阳天顶角，增大单位面积接收的太阳风通量。此外，嫦娥五号和嫦娥六号着陆区的表面温度条件也存在差异。较低的温度可能更有利于辐照损伤的累积，因为热退火效应会被抑制。实验研究表明，在约 500 开尔文以上，矿物晶格的动态退火效应会显著增强，部分抵消辐照造成的损伤。

嫦娥与阿波罗任务月壤颗粒中太阳风损伤层厚度与暴露年龄的比较 比较来自嫦娥五号、嫦娥六号、阿波罗11号、16号和17号任务的月壤颗粒中太阳风（SW）损伤层厚度与暴露年龄的关系。不同任务的样品以不同符号区分：浅蓝色方形代表嫦娥五号（Chang’E-5），黄色方形代表嫦娥六号（Chang’E-6），粉红色圆形代表阿波罗11号（Apollo 11），绿色圆形代表阿波罗16号（Apollo 16），灰色圆形代表阿波罗17号（Apollo 17）。浅蓝色与黄色阴影区域分别表示嫦娥五号（CE-5）与嫦娥六号（CE-6）数据的典型范围。浅灰色阴影区域（由两条虚线和图边界限定）表示大多数阿波罗任务（11、16、17号）样品数据的分布范围。（图片来源：参考文献1）

月壤中的水之源

这项研究的意义远不止于理解太阳风的辐照历史。太阳风损伤形成的非晶环带，恰恰是月球水资源的重要储存库。当太阳风中的氢离子撞击硅酸盐矿物时，会与其中的氧原子结合形成羟基或水分子，并被困在非晶层的纳米级孔隙中。研究表明，超过 73%的植入氢/氘被保存在完全非晶化的表层中，只有约 25%扩散到更深的部分晶化区域。

嫦娥五号样品中发现的异常高水含量，可能正是其较厚的太阳风损伤环带所致。更快的环带增长速率意味着更多的氢离子被植入和保存，形成了更丰富的水资源储层。这一发现对未来月球基地的水资源利用具有重要意义，暗示着某些特定区域可能存在更高浓度的太阳风成因水。

展望：破解月球演化的密码

通过嫦娥五号和嫦娥六号样品的对比研究，科学家们首次在实验室中证实了月球正背面太阳风辐照的长期不对称性。这种不对称性不仅影响着月表物质的风化速率，还可能导致两个半球在矿物组成、光谱特征、甚至挥发分分布等方面产生系统性差异。

然而，嫦娥五号样品展现的异常高环带增长速率提醒我们，月球表面的空间风化过程比想象的更加复杂。局部因素如孔隙度、地形、温度等的综合作用，可能在某些区域创造出独特的风化环境。要完全理解这些过程，还需要更多不同地点的样品分析，以及更精细的理论模型。

未来，随着嫦娥七号、八号等后续任务的实施，以及国际月球科研站的建设，人类将获得更多来自月球不同区域的样品。通过系统地分析这些样品中的太阳风记录，结合原位探测和遥感观测，我们终将破解月球表面演化的完整密码，为人类在月球上的长期驻留和资源开发奠定坚实的科学基础。

千万年来，太阳风如同一位沉默的艺术家，在月球表面精雕细琢。而今天，通过显微镜下的微观世界，我们正在学习解读这位艺术家留下的每一道痕迹，理解宇宙风化这一塑造天体表面的基本过程。嫦娥样品的研究，让我们距离完全理解这一过程又近了一步。

参考文献

[1]Liu, R., Zhang, X., Zhao, S. et al. Million-year solar wind irradiation recorded in chang’E-5 and chang’E-6 samples. Nat Commun 16, 9197 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64239-8

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出品丨科普中国

作者丨郭菲 烟台大学

监制丨中国科普博览

责编丨张一诺

审校丨徐来、张林林