在浩瀚宇宙中，月球表面正經(jīng)歷著一場無聲卻持續(xù)的“雕刻”。這場“雕刻”的主角，是來自太陽的帶電粒子流——太陽風。它以每秒數(shù)百公里的速度，年復一年地沖擊著月球表面，在礦物顆粒上留下獨特的印記，如同一位不知疲倦的藝術(shù)家。

近日，中國科學家通過對嫦娥五號和嫦娥六號探測器帶回的月壤樣品展開深入研究，發(fā)現(xiàn)月球正面與背面在太陽風輻照方面存在以千萬年為時間尺度的顯著差異。這一發(fā)現(xiàn)，為揭開月球表面演化歷史的新篇章提供了關(guān)鍵線索。

太陽風主要由氫離子和氦離子構(gòu)成，這些粒子攜帶約每核子1千電子伏特的能量。當它們高速撞擊月球表面的礦物顆粒時，就像無數(shù)微小的子彈不斷沖擊，逐漸在顆粒表面形成一層非晶質(zhì)的損傷環(huán)帶。這種環(huán)帶如同樹木的年輪，記錄著顆粒在月球表面暴露的時間以及所經(jīng)歷的太陽風輻照強度。同時，來自太陽的高能粒子能穿透更深，在礦物內(nèi)部留下輻射徑跡，仿佛是一本記錄宇宙射線歷史的特殊“天書”。

2020年12月17日，嫦娥五號探測器從月球正面的風暴洋東北部成功帶回1.731公斤月壤；2024年6月25日，嫦娥六號探測器首次從月球背面的南極 - 艾特肯盆地采集月壤樣本。這兩批來自月球不同半球、跨越時空的珍貴樣品，為科學家提供了比較月球不同區(qū)域空間風化作用差異的絕佳機會。

中國科學院地球化學研究所聯(lián)合多家科研機構(gòu)的科學家，對這些樣品進行了細致分析。研究人員精心挑選了15顆具有清晰月表暴露特征的長石顆粒，這些顆粒表面帶有微隕石撞擊坑或熔融濺射物的痕跡，見證了它們在月球表面的漫長歲月。借助聚焦離子束切片技術(shù)，研究人員制備出約100納米厚的超薄切片。在透射電子顯微鏡下，這些切片展現(xiàn)出奇妙的微觀世界：最表層是太陽風損傷形成的非晶環(huán)帶，厚度在19納米到109納米不等；下方晶體基質(zhì)中，密布著太陽高能粒子留下的輻射徑跡，如繁星般閃爍。

研究發(fā)現(xiàn)，月球背面中緯度地區(qū)的嫦娥六號樣品，其太陽風損傷環(huán)帶的增長速率為每百萬年33.21±6.16納米，明顯高于月球正面赤道附近的阿波羅11號、16號和17號樣品。這一差異的背后，是地球磁場對月球施加的不對稱保護。

月球在28天的軌道周期中，約7天處于地球磁層范圍內(nèi)，其中約4天深入磁尾區(qū)域。當月球正面朝向太陽時，中心區(qū)域約一半時間受地球磁尾庇護，太陽風粒子被有效屏蔽；而月球背面向陽時則完全暴露在太陽風直接轟擊下，無地磁保護。這種周期性、不對稱的屏蔽效應，在千萬年時間尺度上累積，最終在月壤顆粒微觀結(jié)構(gòu)中留下可測量的印記。科學家通過霍爾磁流體動力學模擬重建了月球表面太陽風通量分布圖，模擬結(jié)果與嫦娥六號樣品顯示的高環(huán)帶增長速率完全吻合，有力支持了地球磁層調(diào)制月球太陽風輻照的理論。

然而，研究中最令人意外的是嫦娥五號樣品的發(fā)現(xiàn)。這些采自月球正面北緯43度的樣品，太陽風損傷環(huán)帶增長速率高達每百萬年55.96±10.82納米，不僅高于月球背面的嫦娥六號樣品，更遠超同在月球正面的阿波羅樣品。

對于這一異常現(xiàn)象，研究人員提出了幾種可能解釋。一是月壤孔隙度差異。模擬研究表明，高孔隙度月壤能增強離子散射，使太陽風粒子與更多礦物顆粒相互作用，加速非晶環(huán)帶形成。實地測量顯示，嫦娥五號著陸區(qū)原位孔隙度比嫦娥六號高出約10%，這可能是導致其環(huán)帶增長速率異常的重要因素。二是局部地形坡度和朝向的影響。陡峭斜坡能減小太陽天頂角，增大單位面積接收的太陽風通量。嫦娥五號和嫦娥六號著陸區(qū)表面溫度條件存在差異，較低溫度可能更有利于輻照損傷累積，因為熱退火效應會被抑制。實驗研究表明，約500開爾文以上，礦物晶格動態(tài)退火效應顯著增強，會部分抵消輻照造成的損傷。

這項研究的意義不僅在于理解太陽風輻照歷史。太陽風損傷形成的非晶環(huán)帶是月球水資源的重要儲存庫。當太陽風中的氫離子撞擊硅酸鹽礦物時，會與氧原子結(jié)合形成羥基或水分子，并被困在非晶層納米級孔隙中。研究表明，超過73%的植入氫/氘保存在完全非晶化的表層中，約25%擴散到更深部分晶化區(qū)域。嫦娥五號樣品中發(fā)現(xiàn)的異常高水含量，可能正是其較厚太陽風損傷環(huán)帶所致。更快的環(huán)帶增長速率意味著更多氫離子被植入和保存，形成更豐富水資源儲層，這對未來月球基地水資源利用具有重要意義，暗示某些特定區(qū)域可能存在更高濃度太陽風成因水。

通過對嫦娥五號和嫦娥六號樣品的對比研究，科學家首次在實驗室證實了月球正背面太陽風輻照的長期不對稱性。這種不對稱性不僅影響月表物質(zhì)風化速率，還可能導致兩個半球在礦物組成、光譜特征甚至揮發(fā)分分布等方面產(chǎn)生系統(tǒng)性差異。不過，嫦娥五號樣品展現(xiàn)的異常高環(huán)帶增長速率提醒我們，月球表面空間風化過程比想象更復雜，局部因素如孔隙度、地形、溫度等的綜合作用，可能在某些區(qū)域創(chuàng)造出獨特風化環(huán)境。要完全理解這些過程，還需更多不同地點樣品分析以及更精細理論模型。