太空风化（一）
系列前言
这一个系列我会收集一些关于太空风化的相关知识。主要包括定义、原理、月球、火星、水星、小行星等表面的风化情况。更新速度可能不会很快，这取决于这一段时间文献收集的速度了。前期的定义、原理主要参考百度百科，后期如果有新的或者更清楚的说法，我会对此进行更新。
一、定义
太空风化(Space weathering)是所有暴露在严苛的太空环境中的天体表层所经历的一系列变化过程的总称。月球、水星、小行星、彗星等没有大气层的天体，表层会受到宇宙射线和太阳辐射的照射、太阳风粒子的轰击、大大小小的陨石和微流星体的撞击。太空风化的过程是影响天体表层物理和光学性质的重要因素。因此了解太空风化的作用有助于正确解释观测数据。
二、风化原理
无大气天体（如月球，小行星 ）由于没有大气的保护，微米级大小的固体颗粒（微陨石，micrometeorite）可以直接撞击到天体表面，与表层物质产生作用；另外太阳宇宙射线、银河宇宙射线和太阳风粒子也可以 注入到天体表面；在以上两种作用的影响下，天体的光谱会发生很大变化，常使原来的光谱变暗（光谱发照率变低）、变红（光谱反照率随波长增加而增加）和削弱吸收带。
三、月球表面的太空风化
数十亿年来，月球表面遭受了强烈的太空风化作用，包括微陨石撞击、太阳风及银河宇宙射线的辐射。这些过程极大改造了月球表面物质的微观形貌、晶体结构和化学成分，进而改变了月球的光谱特征，造成地质分析的多解性。因此，深入研究撞击和太阳风辐射与物质的相互作用过程与机理，是认识月球表面物质演化和空间环境变化过程的关键，并为行星的宜居环境及其演化提供了不可替代的作用。然而，由于月壤颗粒的尺寸微小且微观结构复杂，难以区分微陨石撞击和太阳风辐照的特征差异，造成对太空风化作用机制的认识不足。另外，陨石的撞击可能是随机事件，但太阳风的照射与纬度有关。美国阿波罗计划、前苏联月球号采集的样本均处于月球的低纬度范围。嫦娥五号采样点位于中纬度(43.06°N)，为月球不同纬度的空间风化研究提供了独特视角。
中国科学院地质与地球物理研究所电子显微镜实验室高级工程师谷立新、研究员林杨挺、李金华，联合北京高压科学中心、中科院国家空间科学中心的科研人员，利用电子显微镜实验室开发的单颗粒样品操纵-扫描电镜形貌观察-聚焦离子束精细加工-透射电镜结构解析等系列分析方法，获得了嫦娥五号样品单颗粒表面多相物质（硅酸盐、氧化物、磷酸盐和硫化物）受到相同太空环境下的不同微观结构响应（图1）。
图一、月壤颗粒表面形貌
分析结果表明，暴露在玄武岩碎屑表面的所有矿物相均存在富Si/O元素的再沉积层，往下是太阳风辐照损伤层，但太阳风损伤层的结构和化学成分变化与基体矿物的种类有关（图2）。纳米铁(npFe0)、非晶化和囊泡结构是最常见的太空风化特征。研究发现，辉石受太阳风辐照后损伤层的片层结构与辉石基体的出熔片层结构一致，提供了太阳风还原纳米铁的确凿证据。表面损伤层发生了非晶化，非晶层内的纳米铁颗粒呈球形，但晶粒尺寸（～3-5 nm）与基体片层的铁含量相关。钛铁矿受太阳风辐照保持了晶体结构，但发生了Fe-Ti元素迁移，还原的纳米铁颗粒呈拉长形（～20 nm）。硫化物表面呈锯齿状结构，没有明显的太阳风作用区域，主要是硫化物受太阳风离子剥蚀造成脱硫而形成铁晶须（几十nm～300 nm）。贫铁的白磷钙矿表面没有发现纳米铁颗粒。此外，钛铁矿和白磷钙矿的损伤层均出现了囊泡结构，但其形态不同，可能与各自的晶体结构及受到的表面张力有关。
图二、不同矿物相的微观结构
结合单颗粒多相物质表面形貌及内部结构的分析可以看出，月壤的太空风化作用主要是受到微陨石撞击、太阳风及宇宙射线的辐照等因素的共同作用，而各自贡献需要借助于精细的形貌和结构表征才能区分（图3）。
图三、太空风化作用过程及不同矿物相的响应模型
研究识别嫦娥五号返回月壤样品颗粒的类型、含量、形貌、结构和成分特征，可为嫦娥五号着陆区月壤的成因与月球表面演化过程提供关键科学依据，中国地质大学（武汉）的研究人员研究发现月壤颗粒组成多样，包括斜长石、单斜辉石和橄榄石等矿物、玄武岩碎屑、黏结物和玻璃球，颗粒表面和内部微观结构复杂，呈现各种破碎、表面附着堆积、微撞击坑、溅射物等形式的微米-纳米级的形貌特征，嫦娥五号月壤的微形貌特征记录了以微限石撞击为主导的复杂太空风化过程: 一方面反复的撞击作用使月壤颗粒破碎、粒度变细，另一方面撞击引发的局部熔融又使颗粒发生胶结，同时伴随含铁矿物分解形成筒-纳米级单质铁颗粒。上述讨程反复讲行，导致月壤颗粒大小和物相组成复杂多变。
图四、嫦娥五号月壤主要单颗粒矿物形貌及成分
图五、嫦娥五号月壤中胶结物的结构和成分特征
图六、嫦娥五号月壤不同粒径和形态的玻璃
图七、嫦娥五号月壤不同颗粒表面的破碎结构
图八、月壤颗粒特殊附着结构
图九、微撞击坑及相关结构
参考文献及网站
【1】谷立新，陈永金，徐于晨，唐旭，林杨挺*，Noguchi, T.，李金华*. Space weathering of the Chang'e-5 lunar sample from a mid-high latitude region on the Moon [J].Geophysical Research Letters, 2022, 49, e2022GL097875.DOI:10.1029/2022GL097875
【2】顾铱,孙继尧,肖倩等.嫦娥五号返回月壤微观形貌特征及其对太空风化的指示意义[J].地球科学,2022,47(11): 4145-4160.