6 Minutės
Nauji įrodymai sieja Žemės deguonį su mėnulio rūdijimu
Naujausi laboratoriniai tyrimai rodo, kad netikėtas hematito — geležies oksido, dažnai vadinamo rūdimi — buvimas Mėnulio poliuose greičiausiai nėra vien vietinės mėnulio cheminės reakcijos rezultatas, o yra susijęs su iš Žemės pabėgančiu deguonimi. Tyrėjai laboratorijoje imitavo dalelių aplinką, su kuria Mėnulis susiduria praskriesdamas per Žemės magnetotail'ą (magnetosferos „uodegą“), ir nustatė, kad deguonies jonai gali oksiduoti tam tikrus geležies turinčius komponentus mėnulio dirvožemyje, formuodami hematitą. Šios oksidacijos prognozuojamos erdvės ir modeliai atitinka palydoviniais instrumentais stebimus hematito pasiskirstymo pavyzdžius.
Mokslinis kontekstas: kodėl hematitas Mėnulyje kelia klausimų
Hematitas (Fe2O3) susidaro, kai geležis praranda elektronus — tai oksidacijos procesas, kuriam reikalingas deguonis ir dažnai vanduo arba bent jau oksiduojančios sąlygos. Tačiau Mėnulis neturi reikšmingos atmosferos ir turi tik labai retišką egzoterminę eksosferą, kurioje laisvo deguonies praktiškai nėra. Be to, Mėnulis nuolat veikiamas saulės vėjo — hidrogenu turtingo plazmos srauto, kuris tiekiamais elektronais chemizuotai redukuoja paviršius ir skatina priešingus procesus nei oksidacija. Tokios aplinkybės teoriškai padaro hematito radimą Mėnulio paviršiuje, ypač arti pusės, kuri nukreipta į Žemę, ir polinių sričių, netikėtu ir mįslingu.
Patobulinta hematito pasiskirstymo žemėlapio versija Mėnulio artimoje pusėje. (Shuai Li)
Viena iš siūlytų hipotezių apima pačią Žemę. Saulė stumia saulės vėją, o Žemės magnetosfera ištempiama į ilgą magnetinį uodegą (magnetotail), kuris kartais pernaša daleles iš Žemės aukštosios atmosferos - tarp jų ir deguonies jonus — tolyn link Mėnulio. Kai Mėnulis keliauja per šį magnetotail'ą, dažniausiai peri pilnatį, jis gauna pulsinį Žemės kilmės deguonies srautą tuo metu, kai Žemė taip pat dalinai šešėlyje blokuoja tiesioginį saulės vėjo patekį. Tai sukuria periodines langas, kai deguonies srautas yra padidėjęs, o vandenilio bombardavimas sumažėjęs — galimas nišinis laukas oksidacijai vykti. Tokia dinamika — derinant magnetosferos geometriją ir orbitalinius laikotarpius — suteikia prasmingą mechanizmą, paaiškinantį, kodėl hematitas susitelkia tam tikrose Mėnulio vietose.
Laboratorinės imitacijos: Žemės vėjo poveikio mėnulio mineralams atkūrimas
Norėdami patikrinti, ar Žemės kilmės deguonis iš tikrųjų galėtų oksiduoti mėnulio medžiagas, Xiandi Zeng vadovaujama komanda Makao mokslo ir technologijų universitete atliko kontroliuojamus jonų spinduliavimo eksperimentus. Tyrėjai specialiai paruošė mėnulio analogų mineralus — pvz., pirokseną, oliviną, ilmenitą, troilitą, metalinę geležį ir geležinį meteoritą — ir juos eksponavo energingų deguonies jonų srautams, imituojantiems magnetotail'o „žemės vėją“, taip pat eksperimentuose buvo naudojami vandenilio jonų spinduliai, atkartojantys saulės vėjo sąlygas.
Diagrama, vaizduojanti Žemės, Mėnulio ir Saulės vietą, kuri gali lemti hematito susidarymą. (Osaka University/NASA)
Eksperimentų metu buvo pastebėta, kad deguonies jonai gali paversti metalinę geležį, ilmenitą ir troilitą į hematitą; iš jų metalinė geležis pasirodė esanti jautriausia oksidacijai. Kita vertus, geležies turintys silikatai, tokie kaip piroksenas ir olivinas, tokiomis pačiomis sąlygomis hematito nesudarydavo arba jį formuodavo labai mažai. Tai rodo, jog oksidacijos procesas yra specifinis mineralinei sudėčiai — ne visi geležies junginiai reaguoja vienodai. Be to, tyrėjai užfiksavo, kad magnetitas (Fe3O4) gali vystytis kaip tarpinė stadija tarp metalo ir galutinio hematito, kas atitinka kai kurių geocheminių procesų logiką: oksidacija gali vykti per kelias laipsniškas fazes.
Vandenilio redukcija ir saulės vėjo vaidmuo
Norėdami įvertinti, ar vėlesnis saulės vėjo vandenilis galėtų panaikinti anksčiau įvykusią oksidaciją, komanda laboratorijoje apšvietė dirbtinai sukurtą hematitą vandenilio jonais skirtingomis energijomis. Paaiškėjo, kad aukštos energijos vandenilio pluoštai — panašūs į energetines „žemės vėjo“ daleles — sugebėjo redukuoti hematitą atgal į mažesnio deguonies kiekio geležies fazes ir šio proceso šalutinis produktas buvo vanduo. Tuo tarpu mažesnės energijos vandenilio srautai, būdingi vidutiniam saulės vėjui, neveiksmingai atvirkštino hematito susidarymą. Šie rezultatai pateikia paaiškinimą, kodėl hematitas gali išlikti Mėnulio paviršiuje: epizodiniai Žemės kilmės deguonies impulsai oksiduoja tam tikrus mineralus, o įprastas saulės vėjas neturi pakankamai energijos jų visiškai redukuoti atgal.
Šioje kontekste svarbu atkreipti dėmesį į laiko ir erdvės skirtumus: jei oksidacinės fazės trunka pernelyg trumpai ar deguonies srautas yra per silpnas, oksidacija gali būti paviršutiniška ir lengvai panaikinama. Tačiau eksperimentų sąlygos, apjungtos su orbitaliniais modeliais, rodo, kad tam tikrose Mėnulio zonose — ypač arti ašigalių — oksidacijos langai gali būti pakankami susidarančiam hematitui išsaugoti.
Pasekmės mėnulio mokslui ir Žemės–Mėnulio mainams
Hematito susidarymo selektyvumas netoli Mėnulio polių taip pat dera su magnetotail'o geometrija: Žemės magnetotail'as linkęs nukreipti energetinius deguonies jonus aukštesnėmis Mėnulio platumomis, tuo pačiu atmetant didelę dalį įeinančio saulės vėjo vandenilio. Laboratoriniai rezultatai papildomai leidžia manyti, kad prie hematito aptikimo vietų stebimas vanduo gali būti ne būtinai pirminė priežastis, o šalutinis oksidacijos arba vandenilio redukcijos produktas. Kitaip tariant, vanduo ir drėgmės atžvilgiu reikėtų vertinti ryšius atsargiai: jis gali būti susijęs su oksidacijos ar redukcijos reakcijų istorija, o ne būtinas hematito atsiradimui.
Jei Žemės kilmės deguonis buvo nuolat tiekimo šaltinis Mėnuliui per milijardus metų, mėnulio hematito telkiniai galėtų veikti kaip neįprastas Žemės atmosferos deguonies istorijos archyvas. Tokia perspektyva leidžia svarstyti, kad kai kurios hematito formacijos galėtų atspindėti ilgametes pokyčių bangas, gal net siekti Didįjį oksidacijos įvykį (~2,4 milijardo metų), kai Žemės atmosferoje įvyko didelis deguonies išplitimas. Tokia hipotezė yra intriguojanti, tačiau reikalauja koreguotos geokeminių laikų etikečių pritaikymo, agnosinės izotopų analizės ir vietinių mėginių tyrimų, kad būtų galima atskirti, kurie hematito sluoksniai yra senoviniai, o kurie susiformavo pastarojo geologinio laiko tarpsnio metu.
Ateities ir esami misijų planai, nukreipti į Mėnulio pietų poliaus sritis — įskaitant sėkmingą Indijos Chandrayaan-3 nusileidimą ir planuojamą Kinijos Chang'e-7 programą — suteikia galimybę paimti mėginius iš hematitu turtingų regolitų ir patikrinti šias hipotezes vietoje. Tokie in situ tyrimai arba mėginių grąžinimo operacijos galėtų išmatuoti oksidacijos gilumą, izotopinę sudėtį ir susieti paruoštus duomenis su orbitinėmis nuotraukomis, taip suteikdami sąsajų tarp magnetosferos dinamikos ir geocheminių pokyčių Mėnulyje.
Išvados
Laboratoriniai jonų spinduliavimo eksperimentai sustiprina argumentą, kad iš Žemės pabėgantis deguonis yra pagrindinis oksidantas, lemiantis hematito atsiradimą Mėnulyje. Šie rezultatai atskleidžia subtilų, bet nuolatinį cheminį mainų mechanizmą tarp Žemės ir jos palydovo, kurį tarpininkauja magnetosferos dinamikos bei orbitaliniai ciklai. Pasekmės yra reikšmingos: jos keičia mūsų supratimą apie mėnulio paviršiaus chemiją, suteikia galimybę pasinaudoti mėnuliniais sluoksniais kaip Žemės atmosferos istorijos archyvu ir formuoja tyrimų prioritetus būsimiems mėginių grąžinimo bei vietos analizės uždaviniams. Tolimesni darbai turi tiksliai nustatyti oksidacijos tempus, energijų spektrus ir vietovinius geocheminius signalus, kad būtų galima pilnai įvertinti Žemės indėlį į Mėnulio cheminę evoliuciją.
Šaltinis: sciencealert
Komentarai