近日，中国科学院广州地球化学研究所月球样品研究团队在National Science Review（《国家科学评论》, NSR）发表题为“Differences in space weathering between thenear and far side of the Moon: Evidence from Chang’e-6 samples”的研究论文。
研究团队从嫦娥六号任务返回的月球背面样品中发现了月球正背面的太空风化差异，为月球空间环境的二分性提供了基于样品的证据。中国科学院广州地球化学研究所硕士研究生林佳睿为论文的第一作者，鲜海洋副研究员和朱建喜研究员为共同通讯作者，合作者包括徐义刚院士，何宏平院士，Akira Tsuchiyama教授等。
图1. 嫦娥六号样品主要矿物的二次电子（SE）图像（黄色矩形表示进行FIB制样的位置）
一
缺失的气相沉积层
月球和其他无大气天体由于没有大气层保护，表面直接暴露在太空环境中，会受到太阳风、微陨石撞击等各种因素的影响，这种长期的“风吹雨打”就是太空风化。研究团队通过聚焦离子束（FIB）制样技术和高分辨透射电镜分析发现，月球背面样品中缺乏月球正面样品及小行星Itokawa样品中普遍存在的气相沉积层。这种气相沉积层通常由微陨石撞击引发的高温气化物质沉积形成，是微陨石作用的重要标志。在月球正面样品中气相沉积层很常见，并且成分与基底矿物不同。然而，研究团队在嫦娥六号返回的样品中并未发现这种沉积层，这表明月球背面的太空风化过程与月球正面存在明显不同。
图2. 嫦娥六号样品与月球正面和Itokawa样品的太空风化边缘对比图。(a)月球正面和Itokawa样品的太空风化特征示意图。(b)嫦娥六号样品的太空风化特征示意图。
二
更强的太阳风辐射影响
研究团队进一步测量了矿物的非晶层厚度和npFe⁰粒径，并统计了辉石和橄榄石中的太阳风轨迹，以估算颗粒的太阳风暴露时间。结果表明嫦娥六号样品的太阳风暴露时间接近Apollo 11号样品的最小值，低于其他Apollo样品，略小于嫦娥五号样品。然而，令人意外的是，嫦娥六号样品中的npFe⁰粒径反而更大，这意味着太阳风辐射在该区域导致铁元素的分离和聚集更为显著。这些现象表明月球背面的太阳风辐射作用更为强烈，可以在较短的时间内对月球表面矿物产生显著的改造作用。
三
太阳风辐射和微陨石撞击的相对贡献
太阳风辐射和微陨石撞击是太空风化的两个最主要的驱动因素，但前人的研究表明太阳风的有效溅射速率和微陨石撞击产生的气相沉积会相互抵消。因此，在讨论太空风化机制时，必须考量不同空间环境下二者的相对贡献。嫦娥六号样品的研究结果表明，与之前通过阿波罗样品和嫦娥五号样品的认识不同，太阳风辐射在月球背面的太空风化过程中的贡献超过了微陨石撞击，占据了主导地位。
四
空间环境驱动的太空风化差异
嫦娥六号样品与月球正面样品在太空风化特征上的差异，提醒我们在研究太空风化时要充分考虑不同空间环境下太阳风和微陨石撞击的相对作用。月球不同区域受到的太阳风影响存在差异：月球正面在每个朔望月周期都会进入地球磁尾，地球磁场的保护导致月球正面暴露于太阳风的时间减少；而月球背面始终处于太阳风直接辐射之下。此外，由于轨道动力学效应，月球不同位置受到来自彗星和小行星陨石的撞击速度不同。月球表面与陨石撞击的相对速度随着月相的变化而变化：在满月期间，月球和陨石在相同的轨道方向上运动，相对速度增加；新月期间相反。嫦娥六号样品的研究结果表明，在月球背面，太阳风的影响超越了微陨石撞击，进一步证明了太空风化过程受空间环境变化的调控。
图3. 太阳风和（微）陨石撞击在不同月球采样点的相对影响。(a)太阳风在不同月球采样点的相对影响。(b)（微）陨石撞击在不同经度的相对通量。(c)太阳风和（微）陨石撞击在不同月球采样点的相对贡献。
五
亮点
研究首次系统分析了月球背面样品主要矿物的太空风化特征，探讨了月球背面和背面空间风化的潜在差异。研究结果丰富了我们对无大气天体表面各矿物在较短暴露时间内如何响应太空风化的认识，并为揭示月球空间环境如何驱动太空风化差异提供了关键指标。此外，此研究为月球空间环境的二分性提供了基于返回样品的证据，突出了空间环境变量在太空风化过程中的关键作用，对理解太阳风辐射和微陨石撞击如何协同塑造月球和其他无大气天体的表面具有重要意义。
该研究受到中国科学院院长基金、中国科学院广州地球化学研究所长基金（2022SZJJZD-03）和中国科学院青年创新促进会（2021353）联合资助。
