摘要：月壤记录了太空风化历史及其引起的光谱变化。太阳风和微陨石是主要的太空风化作用来源，导致可见/近红外光谱出现变暗（反照率降低）和红化（反射率随波长增加而增强）的特征。然而，两者的相对贡献尚不明确。在本研究中，我们通过对月海玄武岩和月球漩涡区域的遥感光谱分析，并结合实验室模拟样品的光谱特征进行分析，探讨了近红外光谱随月球纬度和化学成分的变化趋势。结果显示，在太阳风通量增强的区域，成熟月壤的反射率降低，而光谱斜率逐渐变平（红化效应趋于饱和）。我们提出了一个新的太空风化阶段——“后成熟阶段”，在该阶段中，太阳风注入可能促使金属单质铁颗粒的生长和粗化，形成更大的微米级铁颗粒。这一以太阳风为主导的风化机制，对理解太阳系内无大气天体的风化和演化过程具有重要意义。

 太空风化作用普遍存在于月球等无大气天体表面。在太阳风粒子和微陨石的不断轰击下，月球物质产生了一系列物理和化学变化，导致可见/近红外波段出现了暗化（反射率降低）、红化（光谱斜率变陡，即反射率随着波长的增加而增加）和矿物吸收特征减弱（~1 μm、~2 μm附近的光谱吸收深度变浅）等光谱效应。这些光谱效应来自于月壤中亚微米尺寸的金属单质铁，通常由还原、热分解等过程产生，根据粒径范围可分为较小的纳米铁（<~50 nm）和较大的微米铁（>~50 nm）。纳米铁对可见波段具有明显的吸收，而对近红外波段的吸收弱于可见部分，因此造成了光谱斜率变陡的光谱效应（红化）。当纳米铁颗粒通过不断聚合成长为更大粒径的微米铁时，对全波段的反射率均有吸收，因此其特殊的“红化”作用便会消失，以暗化和减弱吸收特征的作用为主。

 前人根据Clementine多光谱数据揭示了月球月壤光谱存在纬度效应，即在高纬度地区月壤光谱反射率更亮，并表明这种光谱效应与高纬度地区较弱的太阳风通量相关，因此前人提出了月球太空风化作用随着纬度的升高而逐渐减弱的机制。然而，导致这种光谱效应以及单质铁的形成机制尚不明确。因此，本研究针对全月玄武岩和磁异常区域（月球漩涡）开展了光谱参数分析，旨在揭示月壤光谱的纬度效应及其形成机制。

 本研究利用月亮女神号MI多光谱数据对月球正面月海玄武岩区域（纬度范围：30º S–60º N；经度范围：90º W–90º E）的光谱参数进行了统计分析（图 1）。为了保证分析结果不受地形和撞击坑溅射物的影响，在分析中剔除了地形坡度>1.0º和光学成熟度（OMAT）>0.25的像元。利用月船一号M³高光谱数据对Reiner Gamma漩涡区域进行光谱参数分析。

 图 1 月球正面月海区域及光谱反射率随纬度变化趋势

结果表明，MI 750 nm的反射率随着纬度的降低而变暗，与前人利用Clementine的数据结果一致。MI 1550 nm的反射率同样随着纬度降低而变暗，且变化程度大于750 nm的反射率。因此，相比高纬度区域，低纬度区域呈现出较暗的反射率和较平的光谱斜率。对单质铁含量进行统计，纳米铁含量在纬度0~45°范围内变化较小（~0.55 wt.%），而微米铁含量则随着纬度的降低从~0.8 wt.%单调增加至~1.1 wt.%。此外，本研究对月球漩涡结构的暗带区域进行了光谱参数分析，该区域也出现了光谱反射率和光谱斜率的变化。在暗带中心，光谱更暗、斜率更平坦，而亮纹区域的光谱则更亮、斜率更陡。

月球玄武岩的光谱纬度效应和漩涡区域的光谱效应共同揭示了太阳风通量对月表物质的改造作用（图 2）。因此，本研究认为在月壤达到成熟状态后，将进入后成熟阶段（post-mature stage）。在该阶段中，太阳风通过注入H+产生的铁原子通过奥斯瓦尔德熟化作用吸附在已经存在的纳米铁，导致纳米铁粒径的进一步增加，月壤中单质铁的平均粒径会逐渐变粗。本研究揭示了太阳风注入作用促进纳米铁粒径变粗的机制，并提出单质铁的粒径应当是表征月壤风化程度的重要指标之一。

图 2 月球纬度效应与漩涡共同揭示了太阳风通量增加引起光谱反转

该研究成果以“Microphase iron particle growth promoted by solar wind implantation in lunar soils”为题发表在PNAS Nexus期刊。文章作者：卢学金，陈剑，曹海军，付晓辉，曾小家，乔乐，刘成保，张光，张鹏#，凌宗成#。本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金项目资助。

原文链接：https://academic.oup.com/pnasnexus/article/3/10/pgae450/7815447