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月球为什么腐蚀生锈?

已有 2153 次阅读 2021-3-31 17:07 |个人分类:教学|系统分类:教学心得

【博主按】本学期给本科生讲授《材料腐蚀与防护》课程。至“高温氧化”一章,注意到有关月球生锈的报道。窃以为这是一个绝妙的课外作业题,布置给学生课后完成,然后在课堂分组进行报告。周一完成这项课堂教学探索,取得令人满意的效果。博客内容采纳了学生搜集到的部分PPT资料。特记之,与同行分享一下。

   在浩渺无垠的天空中,有一颗与我们人类居住的地球永远相随相伴且距离最近的星球-月球。从小开始,有关月亮的传说和故事映入我们的记忆中:嫦娥奔月、吴刚折桂、天狗吃月、萧何月下追韩信。

    有关月亮的诗词也汗牛充栋。代表性诗词有如李白的《静夜思》:“床前明月光,疑是地上霜。举头望明月,低头思故乡”。卢纶《塞下曲》:“月黑雁飞高,单于夜遁逃”。苏轼的《水调歌头》:“明月几时有?把酒问青天”...“人有悲欢离合,月有阴晴圆缺”。

    在满月的夜晚,我偶尔也会用手机随手拍一下月亮。但从未对月亮表面颜色有过关心。今仔细看来,月球表面的确颜色不均一,有相当部分发暗。

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           进一步看,月亮表面也有高山峡谷;中部可见深褐色。这就是传说中的铁绣。

图片.png 

生锈的月亮,图片来源网络


    不知大家是否想过我们现在看到的月亮与古人看到的月亮是否一样呢?最近,科学家发现月亮表面变红了。或者说,月球开始生锈或者腐蚀了!如同新疆阿勒泰地区五彩滩。

    2008年,印度发射了一艘月球探测器月船一号(Chandrayaan-1)。该探测器携带了由NASA(美国国家航空航天局)建造的仪器,可以分析月球矿物组成。2020年,NASA和夏威夷地球物理与行星研究所的科学家发现了富含铁的氧化物赤铁矿(Fe2O3)的痕迹。文章发表在《科学进展》杂志上。该论文表示,月球赤铁矿的形成或许与地球相关。

    赤铁矿是一种铁锈,是铁的主要腐蚀产物。所谓腐蚀是材料受其周围环境介质的化学、电化学和物理作用下引起失效破坏的现象。根据环境温度,腐蚀可分为常温腐蚀和高温腐蚀或氧化。铁既可在室温水环境中发生电化学腐蚀,也可在高温(100℃以上)氧环境中发生高温腐蚀。虽然此两种腐蚀机制完全不同,但都能形成赤铁矿,如果环境存在氧气或水。

    然而,早期研究表示,月球自身的环境并不适合形成赤铁矿。或者说,月球表面自身条件难以发生腐蚀。实际上,情况并非如此,新发现应归因于绕月飞行的探测仪器和设备更为先进,更多登月活动获得的新证据所致。

    根据腐蚀科学原理,那么搞清月球腐蚀原因首先需要搞清以下三个问题:

    问题一:月球的物质组成是什么?含有铁吗?

    问题二:月球表面可能存在原子氧或氧气吗?

    问题三:月球有水吗?水的分布如何?正面和背面水分布如何?

    业已证实,月球中存在橄榄石,其化学式为(MgFe)2SiO42019年5月16日,中国科学院国家天文台宣布,由该台研究员李春来领导的研究团队利用嫦娥四号探测数据,证明了月球背面南极-艾特肯盆地存在以橄榄石和低钙辉石为主的深部物质。

    月球表面除了受到太空尘埃轰击,还受太阳、地球、月球时空关系及月球内部活动的影响。正是由于太阳、地球、月球三种之间的相互运动关系,造成有趣的月球腐蚀现象。

    在室温和高温下铁都可与氧直接反应形成氧化铁。至于月球微量氧气,更确切地说,原子氧[O]的来源,可以追溯到地球。

    太阳风把地球的氧带到月球表面。地球的磁场像风向袋一样落后于行星。2007年,日本的Kaguya轨道飞行器发现,来自地球上层大气的氧气可以顺着这种磁尾飞行。氧气的来源很可能是随地球磁尾一路远行38.5万公里来到月球。

图片.png图片来做网络

    日本大阪大学Kentaro Teradafa团队[1]在《Nature Astronomy (自然天文学)》上发表文章称,在月球绕地轨道中,有五天时间空窗期,月球躲在地球背面,地球上的氧气就这样飘散到月球上去。当地球在日地月中间时,挡住了部分太阳风。地球除了向月球运送氧之外,它还在月球轨道的某些时期(特别是在满月阶段)阻挡了超过99%的太阳风。这会在月球周期中形成生锈的机会。

2Fe+O2=2FeO               (1)

6FeO+O2=2Fe3O4            (2)

4Fe3O4+O2=6Fe2O3           (3)

    从热力学来说,根据吉布斯自由能的变化,可判断上述反应的方向。高温氧化吉布斯自由能的变化与温度和氧气分压及氧化物分解压相关。

    因此,月球表面温度的影响也不容忽视,或者说,对月球腐蚀机理的认识至关重要。白天最高160℃。也有说,白天温度127℃,夜晚-183℃。高温则加速铁的氧化。每升高10度,氧化速度则提升2倍。

    白天月球表面水分子在真空度极高的环境中是否难以存在,或者逃逸。但夜晚可以存在和储存在月壤中。真空环境或真空度极高的环境中铁的氧化机理与地球表面有何不同?

    另外,铁腐蚀产生锈皮并不一定需要氧气。无论低温还是高温,铁和水分子混合在一起时也会生锈。2020年10月26日中午,美国国家航空航天局的同温层红外天文观测台“索菲娅” 首次证实:月球的向阳面上存在水。

    尽管月球大部分处于干燥状态,但在月球另一侧的阴影月球坑中仍可发现水冰。但是发现赤铁矿距离那块冰很远。当一些速度极快的尘埃颗粒撞击到月球的两极的水冰时,就有可能从中释放出水分子,再加上这些尘埃颗粒在撞击月球时会产生一定的热量,这就能够让月球上的铁与水分子在高温条件下混合,从而生成氧化铁。

2Fe+3H2O=Fe2O3+3H2         (4)

        恰好的时机(即当月球被太阳风遮蔽且存在氧气时)也很重要。

    这些数据还可以帮助解释另一个谜团:为什么在月球的另一端也形成了少量赤铁矿,而地球的氧气本该无法到达。

   

图片.png

    其实,还有一个过程,太阳风还会把氢吹到月球表面,把铁还原。

Fe2O3+6[H]=2Fe+3H2O        (5)

    值得指出的是,月球上水的来源不仅是宇宙尘埃,或许根本就是太阳风的氢和地球氧的牵手相遇相爱的产物。正如诗经所言,“执子之手,与子偕老”。

4[H]+O2=2H2O               (6)

    但在月球表面太阳风存在空窗期内,氢无法继续对赤铁矿还原。因而,赤铁矿得已保留。随着时间的延长,赤铁矿的累积或将越来越多。若干年后,后人看到的月亮或许不再是白色的,而是红色的。


参考资料:

1. Terada, K., Yokota, S., Saito, Y. et al. Biogenic oxygen from Earth transported to the Moon by a wind of magnetospheric ions.  Nat Astron 1, 0026 (2017). https://doi.org/10.1038/s41550-016-0026

2. 周春银  行星科学:月球上的水(《Nature Geoscience》最新文章)

附:课堂记录

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1 郑永军

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