科学家确定了月球稀薄大气的起源

作者：小菜更新时间：2025-04-25 点击数：

简介：撞击汽化和太阳风离子溅射从岩石中释放出原子，而PSD只释放弱束缚的吸附原子。

一旦原子被IS或IV释放，它们中的一小部分通过重力逃逸消失在太空中。

PSD由于能量低，不会引起任何引力逃逸。

没有直接逃逸的原子可以在月球表面跳跃多次，直到它们最终消失在太空中，或者通过 E光电离重新植入月球表面，或者 F永久被困在月球表面。

（图片：uux.cn科学进展

【菜科解读】

科学家确定了月球稀薄大气的起源

撞击汽化和太阳风离子溅射从岩石中释放出原子，而PSD只释放弱束缚的吸附原子。

一旦原子被IS或IV释放，它们中的一小部分通过重力逃逸消失在太空中。

PSD由于能量低，不会引起任何引力逃逸。

没有直接逃逸的原子可以在月球表面跳跃多次，直到它们最终消失在太空中，或者通过 E光电离重新植入月球表面，或者 F永久被困在月球表面。

（图片：uux.cn科学进展）据麻省理工学院（Jennifer Chu）：虽然月球缺乏任何可呼吸的空气，但它确实拥有一个几乎不存在的大气层。

自20世纪80年代以来，天文学家观察到一层非常薄的原子在月球表面反弹。

这种微妙的大气——技术上称为外逸层——可能是某种太空风化的产物。

但这些过程的确切内容很难确定。

现在，麻省理工学院和芝加哥大学的科学家们表示，他们已经确定了形成月球大气层并持续到今天的主要过程。

在《科学进展》发表的一项研究中，该团队报告称，月球大气主要是撞击汽化的产物在他们的研究中，研究人员分析了宇航员在美国宇航局阿波罗任务期间收集的月球土壤样本。

他们的分析表明，在月球45亿年的历史中，其表面一直受到持续的轰击，首先是巨大的陨石，然后是最近更小、尘埃大小的微流星体这些持续的撞击使月球土壤隆起，在接触时蒸发了某些原子，并将粒子抛向空中。

一些原子被喷射到太空中，而另一些原子则悬浮在月球上，形成一种稀薄的大气层，随着陨石不断撞击月球表面，这种大气层不断得到补充。

研究人员发现，撞击蒸发是月球在数十亿年内产生并维持其极薄大气层的主要过程。

我们给出了一个明确的答案，即陨石撞击蒸发是形成月球大气层的主要过程，该研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系助理教授Nicole Nie说。

月球的年龄接近45亿年，在这段时间里，月球表面一直受到陨石的不断轰击。

我们表明，最终，稀薄的大气层会达到稳定状态，因为它会不断地被月球上的小撞击所补充。

聂的合著者是芝加哥大学的Nicolas Dauphas、Zhe Zhang和Timo Hopp，以及美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的Menelaos Sarantos。

Weathering的角色2013年，美国国家航空航天局（NASA）发射了一艘绕月轨道飞行器，进行了一些详细的大气侦察。

科学家确定了月球稀薄大气的起源

月球大气和尘埃环境探测器（LADEE，发音为laddie）的任务是远程收集有关月球稀薄大气、表面状况以及对月球尘埃的任何环境影响的信息。

LADEE的任务旨在确定月球大气层的起源。

科学家们希望，探测器对土壤和大气成分的远程测量可能与某些太空风化过程相关，从而解释月球大气是如何形成的。

研究人员怀疑，两种空间风化过程在塑造月球大气方面发挥了作用：撞击汽化和离子溅射，这是一种涉及太阳风的现象，太阳风将高能带电粒子从太阳带到太空。

当这些粒子撞击月球表面时，它们可以将能量传递给土壤中的原子，并使这些原子溅射并飞向空气。

聂说：根据LADEE的数据，这两个过程似乎都在发挥作用。

。

例如，它表明，在陨石雨期间，你会在大气中看到更多的原子，这意味着撞击会产生影响。

但它也表明，当月球被遮挡在太阳之外时，比如在日食期间，大气中的原子也会发生变化，这意味着太阳也会受到影响。

因此，结果并不清楚或定量。

土壤中的答案为了更精确地确定月球大气的起源，聂查看了美国国家航空航天局阿波罗任务期间宇航员收集的月球土壤样本。

她和她在芝加哥大学的同事们采集了10个月球土壤样本，每个样本的含量约为100毫克，她估计这个量很小，可以装进一滴雨里。

聂试图首先从每个样品中分离出两种元素：钾和铷。

这两种元素都是挥发性的，这意味着它们很容易被撞击和离子溅射蒸发。

每种元素都以几种同位素的形式存在。

同位素是同一元素的变体，由相同数量的质子组成，但中子数量略有不同。

例如，钾可以作为三种同位素中的一种存在，每种同位素都有一个中子，并且比最后一种稍重。

同样，铷有两种同位素。

该团队推断，如果月球的大气层由蒸发并悬浮在空气中的原子组成，那么这些原子的较轻同位素应该更容易被释放，而较重的同位素更有可能重新沉积在土壤中。

科学家确定了月球稀薄大气的起源

此外，科学家预测，撞击蒸发和离子溅射会导致土壤中的同位素比例非常不同。

然后，土壤中残留的钾和铷的轻同位素与重同位素的具体比例应该揭示出导致月球大气起源的主要过程。

考虑到这一切，聂分析了阿波罗的样品，首先将土壤粉碎成细粉，然后将粉末溶解在酸中，以纯化和分离含有钾和铷的溶液。

然后，她将这些溶液通过质谱仪，测量每个样品中钾和铷的各种同位素。

研究小组发现，土壤中主要含有钾和铷的重同位素。

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研究人员能够量化钾和铷的重同位素与轻同位素的比率，通过比较这两种元素，他们发现撞击蒸发很可能是原子蒸发和升空形成月球大气层的主要过程。

聂说：通过撞击汽化，大多数原子将留在月球大气层中，而通过离子溅射，许多原子将被喷射到太空中。

。

根据我们的研究，我们现在可以量化这两个过程的作用，可以说撞击汽化与离子溅射的相对贡献约为70:30或更大。

换句话说，月球大气层的70%或更多是陨石撞击的产物，而剩下的30%是太阳风的结果。

剑桥大学研究月球土壤的博士后Justin Hu没有参与这项研究，他说：由于将钾和铷同位素测量与仔细的定量建模相结合的创新理念，这种微妙效应的发现是显著的。

。

这一发现超越了对月球历史的理解，因为这样的过程可能会发生，在其他卫星和小行星上可能更重要，而这些卫星和小行星是许多计划中的返回任务的重点。

聂说：如果没有这些阿波罗样本，我们将无法获得精确的数据和定量测量，从而更详细地了解事物。

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对我们来说，从月球和其他行星体带回样本非常重要，这样我们就可以更清楚地了解太阳系的形成和演化。

一种降低在月球上丢失太阳能漫游车风险的新方法

我们方法的概念性概述。

大多数用于太阳能供电的长距离导线规划算法没有主动考虑可能的导航延迟。

在这里，虚白色路径显示了一个计划，该计划将PSR内的漫游车尽快引向阳光，但它对可能的延迟没有弹性，这种延迟将导致漫游车落后于计划，并错过关键的太阳能充电事件。

另一方面，主动考虑延迟蓝线的规划策略将使漫游车走上潜在的更长但更安全的轨迹。

鸣谢:uux.cn/背景图像和蝰蛇漫游者渲染:美国宇航局和亚利桑那州立大学。

据美国物理学家组织网（英格丽德·法德利）：美国宇航局和世界各地的其他太空机构定期向太空发送机器人和自动飞行器，以探索太阳系中的行星和其他天体。

这些任务可以大大提高我们对太阳系其他地方的环境和资源的了解。

多伦多大学航空航天研究所和美国宇航局喷气推进实验室 JPL的研究人员最近进行了一项研究，探索可以提高使用太阳能漫游车进行月球探索的有效性和成功率的回收策略。

他们的论文预先发表在arXiv上，介绍了一种新的方法，可以帮助太阳能漫游车安全地离开月球上永久的阴影区域。

领导这项研究的研究员Opvier Lamarre告诉Phys.org:近年来，几个国家已经表示对探索月球南极感兴趣，包括美国、中国、印度、俄国和其他国家。

。

他们中的大多数人计划使用太阳能漫游车来探索经常处于阴影中的区域称为永久阴影区，或PSRs，我们怀疑这些区域可能包含大量的水冰。

可以想象，用太阳能漫游车进入PSR是一项冒险的尝试！如果漫游车因故障而延迟，它可能无法在能量耗尽前回到阳光中。

太阳能漫游车在能效方面有许多优势，但它们受到依赖太阳光运行的限制。

由于月球上的一些区域永久处于阴影中，漫游者对阳光的依赖可能会阻止他们安全地探索然后离开这些区域，导致他们在执行任务时耗尽能量。

拉马尔和他的同事最近工作的一个关键目标是量化失去太阳能漫游车的概率，因为他们正在探索月球上的这些阴影区域。

此外，该小组希望设计一种方法，帮助最大限度地提高太阳能漫游车安全完成任务的概率。

首先，我们需要定义太阳能漫游车在月球南极‘安全’意味着什么，拉马尔解释道。

为了做到这一点，我们关注漫游车在什么地方、什么时间离开PSR，以及它的电池还剩多少能量。

这表明了漫游车在下一段任务之前是否可以在原地冬眠因此，在那之前保持安全。

然后，我们计算一种在线遍历规划方法，漫游车可以从任何起始状态包括PSRs内部开始遵循该方法，以最大化其生存概率。

拉马尔及其同事概述的规划方法被称为恢复政策，因为它本质上是一种后备策略，允许漫游车最大限度地增加到达安全的机会即阳光将到达的区域，为其电池充电。

在他们的论文中，研究人员表明，在这种情况下计算这种复苏政策可能具有挑战性，因为它需要几个近似值，如果非常不正确，可能会影响整体预测的可靠性。

例如，时间是我们状态空间的连续维度，需要离散化，拉马尔说。

我们需要确保这种近似/离散化不会危险地扭曲对故障概率的预测。

在月球南极，太阳光照是高度动态的；附近的山脉和环形山可能会在地表投下巨大的阴影。

如果与近似政策假设相比，漫游者稍微落后于计划，它可能会错过关键的太阳能充电期。

如果比政策设想的提前一点，也是如此。

由于这些时间近似值极大地影响了太阳能漫游车回收政策的可靠性，拉马尔和他的同事们保持了高度保守。

这最终将失败的风险降至最低，同时增加了该策略在现实任务中保持安全的可能性。

我们认为这种方法在许多方面都是有用的，拉马尔说。

首先，它代表着向远程自主移动规划算法迈出了一步，该算法主动考虑或‘推理’太阳能漫游车的风险。

此外，我们的技术可以成为人类操作员在月球南极制定新的月球车任务的有用工具它可以用于着陆点选择、全球遍历规划和风险预测等，甚至可以通过地面回路操作支持正在进行的任务。

在未来，这个研究小组引入的回收政策可以应用于月球上的真实世界探索任务，以降低在阴影区域丢失太阳能漫游车的风险。

由于最近的研究是与美国宇航局的JPL合作进行的，这种方法很快就可以在各种现实的月球场景中进行测试。

到目前为止，我们使用Cabeus环形山的轨道数据测试了我们的方法，但我们希望使用美国宇航局定制的太阳照明地图，并将我们的技术应用于月球南极的许多其他区域，这些区域有一天将被机器人或载人任务访问，如Shackleton，Faustini，Nobile，Haworth和Shoemaker环形山，Lamarre补充道。

此外，我们目前正在研究新一代风险预测远程导航算法，用于利用太阳能漫游车探索月球南极。