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月球|地球为什么能让没有氧气的月球“生锈”？

月球|地球为什么能让没有氧气的月球“生锈”？
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最近 ， 发表在《Science Advances》期刊的一项研究证实 ， 月球表面高纬度地区存在赤铁矿（Fe?O?） ， 这是个让人浮想联翩的发现 ， 毕竟Fe?O?是铁锈的主要成分 ， 没有氧气和液态水的月球 ， 哪里来的铁锈？
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图源：reddit.com
此前关于月球表面是否存在正三价铁物质的问题 ， 在科学界一直都非常有争议 。 例如 ， 科学家已经在阿波罗登月计划带回的月壤样本中发现了少量正三价铁物质（包括Fe?O?和FeOOH） ， 然而很多后续的研究认为 ， 那些是由于被地球环境所污染而产生的 。 新研究进一步证明了：月球表面确实会“生锈” ， 而且这场生锈还会继续进行下去 。
月亮也是会“生锈”的
在地球上 ， 钢铁生锈是一种普遍的自然现象 ， 任何暴露在室外的钢铁质品都在生锈的路上越走越远 ， 无法回头 。 相关科学研究估计 ， 全球每年因生锈而废掉的钢铁制品约占当年总产量的十分之一 。 因此生锈是一件让人十分头疼的事情 ， 会让钢铁设备表层变脆、变松散 ， 进而降低其力学性能 ，缩短使用寿命 ， 在使用过程中还会引发无数的故障问题 。
人们尝试采用各种防锈措施 ， 但仍旧无法逃脱锈迹斑斑的命运 ， 只能做到延缓这一过程 。 这就像生命一样 ， 无法避免衰老 。 实际上无论是金属的生锈 ， 还是生命的衰亡 ， 都是氧化反应在起作用 ， 而让这一过程进行所必需的成分 ， 便是生活中无处不在的氧气(O?) ， 它在维持机体正常生命活动的同时 ， 也在慢慢地消耗我们的寿命 。 这是一种化学性质十分活跃的气体 。
除了氧气之外 ， 金属的氧化锈蚀还需要水(H?O)的参与 ， 这两种物质在地球上可以说无处不在 ， 这是防锈工作如此难搞的主要原因之一 ， 锈蚀时刻准备趁虚而入 ， 尤其是在潮湿的天气下 。 铁锈的主要成分为三氧化二铁（Fe?O?） ， 这是一种三价铁物质（铁元素的化合价为正三价） ， 也称为氧化铁 ， 红褐色 ， 化学性质稳定 ， 一旦形成后不易与其他物质发生反应 。 铁是地球上最多的金属元素 ， 因此氧化铁在自然界是一种普遍存在的化合物 ， 但多与其他物质混合在一起 。 其中赤铁矿便是富含氧化铁的一种常见矿物 ， 工业炼铁的重要原料 。
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 赤铁矿 图源：flickr.com
赤铁矿在太阳系其他类地行星上也很常见 。 火星被称为“红色行星” ， 即是因为表面被赤铁矿所覆盖 。
在近日发表的这项新研究中 ， 研究者通过分析月船一号（Chandrayaan-1）轨道飞行器上搭载的月球矿物绘图仪（M3）测得的红外反射光谱数据后 ， 发现赤铁矿普遍存在于月球高纬度地区 ， 而且主要分布在面向地球的一面 。
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月球南北半球地形图 ， 橙色区域表示赤铁矿的分布 。 图源：Shuai Li, HIGP, U of Hawaii; NASA LRO WAC / ASU
这让人十分意外 ， 要知道铁生锈是一种氧化反应 ， 需要氧气和水的共同参与 ， 但月球表面即没有大气层 ， 也没有液态或气态水 ， 因此并不具备像地球那样的氧化条件 ， 那月球表面怎么生锈的呢？赤铁矿从何而来？科学家推断 ， 可能是近邻的地球在搞鬼！
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加强版赤铁矿分布图 。 极区的红色部分为赤铁矿的分布区域
图源：Shuai Li, HIGP, U of Hawaii; NASA LRO WAC / ASU
地球为何能让月亮“生锈”
月球是地球唯一的天然卫星 ， 也是距离地球最近的星球 ， 平均距离仅为38万公里 。 两者在万有引力的作用下 ， 相互绕转（围绕共同质心）长达数十亿年之久 ， 彼此间有着紧密而又复杂的协同演化关系 。 月球的质量较小 ， 仅为地球的1/81 ， 表面引力场约为地球的1/6 ， 使其无法束缚住月面的气体 ， 因此月球没有大气 ， 再加上月球的磁场微弱到几乎不存在 ， 这使太阳风、星际尘埃颗粒和小型天体能够肆无忌怠地轰击月球表面 。
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图源：NASA
太阳风是来自于太阳日冕层的高能带电粒子流（等离子流） ， 主要成分为氢原子核 (H+ ， 也就是质子) 和 电子（e-） ， 它们在与其他物质的化学反应中起到还原剂的作用 ， 使参与反应的元素增加电子 ， 从而降低化合价；而与之相反的氧化反应（氧元素作为氧化剂）则是移除电子 ， 增加元素的化合价 。 因此月球表面和内部具有高度的还原性 ， 非常不利于赤铁矿的形成 。 前面也提到 ， 地球上铁的氧化锈蚀还需要氧气和水的共同参与, 很明显月球表面并不具备这些条件 。


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