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豆豆腐腐点
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草本Jing樺

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虽然我们的月球没有空气,但研究表明,月球表面存在化学成分为三氧化二铁(Fe2O3)的赤铁矿,这是一种通常需要氧气和水才会形成的铁锈形式,这让科学家感到困惑不已。

1973年,NASA的水手10号(Mariner 10)所观测到的月球,在当时,研究还没有在月球没有空气的表面上发现任何生锈的迹象。长期以来,以铁锈文明的是火星。火星表面上的铁,再加上古代曾经存在过的水和氧气,赋予了火星红色的外表。但是,科学家最近惊讶地发现,有证据表明表面没有空气的月球也“生锈”了。

《科学进展》(Science Advances)上的一篇新论文回顾了印度空间研究组织(IndianSpace Research Organization,ISRO)的月船一号(Chandrayaan-1)轨道探测器的数据,这架轨道器在2008年对月球表面进行调查时发现了水冰可能存在的证据,并绘制出了多种矿物质位置图。论文的主要作者、来自夏威夷大学(University of Hawaii)的李帅(音译,Shuai Li)研究后发现,月船一号上的月球矿物质测绘仪(Moon Mineralogy Mapper,M3)的数据中,存在着大量水的迹象。月球矿物质测绘仪由美国航空航天局(NASA)位于南加州的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)所建造。水与岩石相互作用会产生多种矿物质,M3检测到的光谱,或者说从月球表面反射的光,表明月球两极的组成与其余部分完全不同。

印度空间研究组织月船一号轨道飞行器上的月球矿物制测绘仪(M3),合成了上面这张图像,图中的蓝色区域显示,水集中在月球的两极。仔细分析两极的岩石光谱后,研究人员发现了赤铁矿,也就是一种铁锈形式的迹象。对于这一点,李帅非常感兴趣,他将目光集中到月球的两极光谱。尽管富含铁的岩石在月球表面四处散布,但在发现月球两极的光谱数据与赤铁矿如此匹配时,他仍然感到惊讶不已。赤铁矿是铁暴露在氧气和水中产生的一种铁的氧化物,也就是铁锈的一种形式,但在月球上应该是不会有氧气或者液态水的,它究竟是怎么生锈的呢?

月球金属之谜

要解开这个谜团,一切还得从太阳风(solar wind)说起。太阳风是从太阳上层大气中射出的超高速等离子体带电粒子流,以氢气为主要成分轰击着地球和月球。氢气的存在会让赤铁矿难以形成,因为它是一种还原剂,在化学反应中通常会被相互作用的原子夺去电子,而这恰恰与产生赤铁矿的反应原理相反:为了让铁生锈,需要有一种氧化剂夺去铁原子的电子。对于地球而言,我们拥有强大的地球磁场将太阳风中的氢气隔绝在外,但月球却没有这样的保护罩。

“这令人非常困惑,”李帅表示,“月球的环境非常不利于赤铁矿的形成。”因此,他找到了JPL的科学家阿比盖尔·弗雷曼(Abigail Fraeman)和维维安·孙(Vivian Sun),帮他梳理分析M3的数据,并确认他真的在月球两极发现了赤铁矿。

“一开始的时候,我是完全不相信的态度。考虑到月球的环境,它(赤铁矿)是不应该存在的。”弗雷曼说,“但是自从我们在月球上发现了水之后,人们就一直在猜测,如果水与岩石发生过反应,那么月球上可能存在着比我们所想象的更多的矿物质。”

在仔细的观察和分析后,弗雷曼和孙确信:M3的数据的确表明月球两极是存在赤铁矿。孙说:“最后,光谱数据明确地体现了赤铁矿的存在,而至于它为什么存在于月球表面,我们还需要一个合理的解释。”

三种关键成分

他们的论文提供了一个“三管齐下”的模型,来解释在月球环境中为什么能形成铁锈。

首先,尽管月球没有自己的大气层,但实际上它还是拥有微量的氧气,这些氧气的来源正是我们的地球。地球的磁场就像一个风袋一样,在地球后侧有较长的拖拽。2007年的时候,日本的辉夜号(Kaguya,又称辉夜姬号、月亮女神号)轨道飞行器发现,来自地球上层大气的氧气可以顺着这种延伸的磁尾飘荡出去,这是众所周知的,地球上的这些氧气可以飞行239 000英里(385 00千米)到达月球。

这一发现与M3的数据相吻合,M3的数据表明,相比背对地球的那一侧,在月球面向地球的一侧所发现的赤铁矿数量更多。李帅表示:“这表明地球的氧气可能在推动着赤铁矿的形成。”在过去数十亿年间,月球一直在一点一点地远离地球,所以当两者在遥远的过去相距较近时,可能有更多的氧气跃过了这个距离。

还有第二个需要解决的问题,那就是太阳风输送来的所有这些氢气。作为还原剂,氢气应该会防止氧化反应的发生,但地球磁场的磁尾在这里也起到了中介作用。磁尾部分除了将氧气从我们的星球运送到月球之外,还在月球饶轨运行的某些时期阻挡了99%以上的太阳风,特别是在月相为满月的时候,这就为月球打开了特定的周期性窗口,让铁锈能得以形成。

谜团的第三个部分则是水,尽管月球的大部分地方都完全干涸了,但在月球另一侧被阴影覆盖的月球陨石坑中,科学家们发现了水兵。然而,赤铁矿的发现地点却又离发现水冰的地方很远。李帅认为,相比在月球表面发现的水分子,更可能是定期飞掷到月球上的快速移动的尘埃粒子释放了月球表面含有的水分子,在冲击到月球表面时与土壤中的铁混合。一方面,撞击产生的热量可以提高氧化反应的速度;另一方面,这些尘埃粒子本身可能也携带了水分子,随着撞击穿入月球表面,从而与铁混合。在恰好合适的时机,也就是当月球因地球磁尾的阻挡受不到太阳风的侵扰且存在氧气时,可能就会发生形成赤铁矿的化学反应。

要确定水和岩石之间相互作用的确切方式,还需要更多的数据。这些数据还可能有助于解释另一个谜团:为什么在月球的另一侧仍然有少量的赤铁矿形成,毕竟地球的氧气在理论上并不能到达月球背面。

更多的月球探索将带来更多月球科学

弗雷曼说,这种模型还可以解释在其他没有空气的星体(如小行星)上发现的赤铁矿:“可能是少量的水和尘埃颗粒的撞击让这些星体中的铁生锈了。”

李帅指出,这是月球科学一个激动人心的时刻。自上一次阿波罗(Apollo)计划登月以来的将近50年后,月球再次成为了一个主要的探索目的地。作为阿尔忒弥斯(Artemis)计划的一部分,NASA计划从明年开始向月球发射数十种新的仪器和技术实验,然后从2024年开始进行人类探月任务。

JPL还为名为“月球开拓者号”(Lunar Trailblazer)的轨道器建造了M3的新版本,其中一个仪器是高分辨率挥发物和矿物质月球测绘仪(High-resolutionVolatiles and Minerals Moon Mapper,HVM3),它将绘制月球上永远处在阴影中的陨石坑内的水冰位置图,或许还能揭示有关赤铁矿的新细节。

“我认为这些结果表明,太阳系中发生的化学过程比我们此前意识到的还要复杂。”孙说道,“我们可以通过在未来发射前往月球的任务,来检验这些假设,从而更好地理解它们。”

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帅哥小蜜

亲你好,海洋学领域国际知名期刊Frontiers in Marine Science在线发表了由上海交通大学海洋学院张召儒副教授、周朦教授与合作者的研究论文“ Spatial Variations of Phytoplankton Biomass Controlled by River Plume Dynamics Over the Lower Changjiang Estuary and Adjacent Shelf Based on High-Resolution Observations ”。文章提出包含冲淡水锋面动力过程在内的一系列中小尺度过程是调控长江口及邻近陆架海域浮游植物量变化和藻华爆发的关键机制,为我们重新审视河口近海生态系统动力学提供了新的视角与启示。文章在线发表后浏览量已达595次。文章发表于 Frontiers in Marine Science ,该期刊2019年影响因子为3.661。动力过程是调控河口和近海区域浮游植物量时空变化的重要因素。以往研究多是基于大面站调查结果,强调浊度和光限制的变化、地形诱导的上升流和黑潮次表层水入侵等中-大尺度过程对长江口附近海域浮游植物量和藻华发生的主导作用。本研究于2017年7月首次在长江口海域利用集成多传感器的拖曳式走航观测系统Acrobat(图1),获取了从河口到陆架海域的物理及生态要素的高时空分辨率观测断面(图2),在此基础上揭示了中-小尺度上的冲淡水锋面过程对长江口海域藻华爆发的控制作用,其中的关键因素包括锋面对物质的辐聚效应、真光层深度的变化及冲淡水扩散状态变化对浮游植物停留时间的延长等。该航次由张召儒副教授担任首席科学家,周朦教授参与航次并担任技术指导,航次参与人员还包括上海交通大学钟贻森老师、高咏卉副教授及周朦教授团队成员,华东师范大学吴莹教授及其团队成员,同济大学许惠平教授团队。图1. 项目团队于2017年7月在长江口邻近海域开展的海上调查航次,该航次综合利用了近海拖曳式走航观测系统Acrobat、表层水走航系统、漂流浮标、站位采样等多种观测方式。图2. 长江口南槽至陆架海域断面水文、层结频率、有色溶解有机物、浊度、光合有效辐射、叶绿素浓度、营养盐和表层溶解氧等参数的高时空分辨率分布特征。文章指出,长江口邻近海域的浮游植物量空间变化受多重尺度动力过程的影响,其中冲淡水锋面过程对藻华的爆发起到决定性作用。初级生产力的出现起源于长江冲淡水主锋面所致的垂向层结及其对泥沙悬浮的抑制和对光照条件的改善,营养盐最大水平梯度发生在该区域,但其浓度的迅速下降主要由淡水和海水的混合所致。长江口藻华发生于冲淡水主锋面的露头位置(称之为表锋面),漂流浮标结果(图3)显示该位置存在显著的物质辐聚效应,是导致浮游植物汇聚和藻华发生的重要因素;同时,辐聚导致下降流的产生,进一步增加了真光层的深度;此外,锋面外海一侧存在波动信号,伴随了冲淡水运动由超临界状态向亚临界状态的转变,增加了冲淡水及其携带的浮游植物在表锋面附近的停留时间,为藻华的发生进一步提供了有利的条件(图4)。图3. 航次中在长江口北港外侧释放的5个表层漂流浮标在124°E以西的漂流轨迹与速度。图(A)和(C)揭示了冲淡水表锋面附近流动状态的改变及其物质辐聚效应。图4. 多重尺度物理过程对长江口邻近海域浮游植物量及相关生物地球化学过程的调控作用与机理。本文第一作者为上海交通大学海洋学院长聘教轨副教授张召儒,通讯作者为上海交通大学周朦教授和张召儒副教授,合作者还包括上海交通大学钟贻森老师、高咏卉副教授、张瑞峰副研究员、Walker Smith教授,以及华东师范大学的张国森和江山博士。该研究由国家自然科学基金重点项目“长江口冲淡水的对流、扩散和物质转换综合过程”(41530960)资助,上海交通大学海洋学院周朦教授为该项目负责人,参加单位包括上海交通大学、华东师范大学和同济大学。张召儒,上海交通大学海洋学院长聘教授副教授,博士生导师。2007年本科毕业于中国海洋大学,2013年博士毕业于美国德克萨斯农工大学,2014年至今任职于上海交通大学海洋学院。研究领域包括近海动力学、极地海洋-海冰动力学和海洋物理-生态耦合过程,目前已经在Progress in Oceanography, JGR-Oceans, Climate Dynamics,Ocean Modelling和Frontiers in Marine Science等期刊发表SCI论文18篇。担任海洋学领域知名国际期刊Journal of Marine Systems责任编委,美国地球物理学会期刊AGU Advances总编遴选委员会委员和Ocean Sciences Meeting主席遴选委员会委员。

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郑小包允在

我在《地质学报》上发表过一篇论文《月球上的水:探测历程与新的证据》,欢迎大学参考和引用。 月球探测器的确发现在月球南极的撞击坑底部的土壤、碎石块中含有一定量的水冰,水冰的含量大约是土壤重量的千分之一左右。 对月球有了解的人会问,在月球上凡是被太阳照射的地方,温度都高于100 ,在如此酷热的条件下,假如有水存在的话早就挥发了,更不可能形成水冰了。月球上怎么可能会有水冰呢? 实际上,月球表面也有一些地方永远照不到太阳,比如有些撞击坑很深,边缘比较高,太阳照射在坑周围的时候,坑边缘的阴影遮挡了撞击坑的中心部位。尤其是在南北极地区,太阳照射角度比较低,阴影比较长,里面是黑暗的,是太阳永远照不到的区域,称为永久阴影区。由于太阳永远照不到撞击坑中心的底部,所以撞击坑里面是黑暗的,这些撞击坑中心底部的温度大约-150 —-180 ,甚至可以达到-230 ,极其寒冷黑暗。 在漫长的宇宙 历史 中,有很多小的彗星会经常不断地撞击太阳系的各个行星和卫星,它们也能撞击在月球上。 假如有彗星撞击到月球的表面,撞击破碎的彗星碎块被溅射得到处都是,总有一些掉进了永久阴影区。大家知道,彗星是“脏雪球”,它是由冰、雪、脏土混合而成的,所以当这种彗星撞击在月球表面的时候,被撞碎、抛射的这些碎块里就有好多冰块会溅射到这些撞击坑的底部,一旦掉到这些撞击坑的底部就相当于掉进了极其寒冷的大冰库里一样,于是这些冰块被永远保存了下来。除了水冰,也有科学家认为,白天月球表面的温度很高,在月壤中吸附的气体分子包括有水分子挥发,进入月球表面的空间;黑夜月球表面的温度很低,气体分子冷凝并逐步向高纬度迁移,在月球南北极区撞击坑里的永久阴影区内可能蕴藏有水冰。 月球形成至今已经有40多亿年了,曾经有很多彗星撞击在月球的表面,在永久阴影区这样的“冰库”里,只要有冰块掉进去就会被保存下来,几十亿年以来,冰块在撞击坑的底部越积越多,这些冰块被永远地保存下来,所以在撞击坑的底部是有可能发现冰块的,在月球的永久阴影区是可能存在水冰的。有人计算,月球永久阴影区里含有的水冰大约可以达到66亿吨,这些水冰将会很有用。人类多年来一直积极 探索 宇宙中的其他星体,希望找到适宜人类居住的地方。一美国科学家团队近日发现,月球可能蕴含大量水分,比之前预计的多了不少。如果属实,今次的发现将大幅降低未来建立月球基地的难度。 研究表明月球表面遍布火山沉积物,而且有水的成分,指出月球表层下可能有令人惊讶的水藏量,甚至可能跟地球一样多。参与研究的布朗大学教授米利肯(Ralph Milliken)表示﹕「差不多所有样本都有水分,显示当年太阳神号获得的含水样本并不罕见。」另一名研究员、来自夏威夷大学的李舒艾博士(Shuai Li,音译)则指出,这些水可能是由强烈的撞击或是小行星与彗星碰撞时产生。根据这点判断,研究还是有一定可信度的,因为彗星撞击虽然是小概率时间,但是月球存在也有几十亿年了,如果不考虑逸散的话,以冰形态存在的水应该储量不低。 虽然这些水分的来源仍是一个谜,但科学家推测月球内部可能有大范围都是湿的。如果这是真的,航天员将来登月时也许能利用这些水,同时人类希望在月球建立太空站的计划将会大大提前。报告于本月24日已在科学期刊《自然地球科学》上发表。让我们静待其他科学家对这一巨大发现有何评估好了。 月球上有水不是传闻,而是被多项科学研究证实的事实,前面有个回答已经给出了一些相关信息,我在这里补充一个最新的研究进展,那就是月球上不仅有水,水存在的时间范围和地理跨度都要大于原有认识。 由于题主问了一些相关报道是否可信,我先说下这项最新研究的来源,是美国空间科学研究所(Space Science Institute)等机构的研究人员发表在英国学术刊物《自然·地学》(Nature Geoscience)上,并且得到了鼎鼎大名的美国航天局(NASA)官方网站的报道。 据介绍,过去一些研究认为,月球上虽然有水,但水的存在范围是很有限的。从时间上看,在月球自转一圈的周期中有时多、有时少,呈周期性变化;从空间上看,在月球的两极多,中间少。过去认为,这可能是在一些阴凉、寒冷的环境条件下,更有利于水的持续存在,在其他时间和地方,水就变成了别的东西。 但是新研究说,过去的分析方法存在一些问题,具体的技术细节这就不说了,咱们不是专业搞科研的都不是很懂。但这项研究的结论很清楚,领导研究的乔舒亚·班德菲尔德(Joshua Bandfield)说:“我们发现不论在一天中的什么时间,或是在什么纬度上,都有信号显示有水存在。”“水的存在看起来不依赖于月球表面不同地方的结构特征,水就一直在那存在。” 研究人员认为,既然月球上的水存在的如此广泛,那么以后登月或甚至在月球上建立基地时,使用月球上本就存在的水作为饮用水,或用作其他用途,就更加方便了。最后,这篇研究论文还让我有一个感想,那就是这帮美国科学家用了印度“月船1号”探测器传回的数据,但是最后发表的论文的作者都是美国人,一个印度名字都没有,连署印度单位的都没有。当然,NASA网站上的说法是,“月船1号”上的叫作Moon Mineralogy Mapper的探测器,本来就是NASA提供给印度的。所以探月这事儿啊,看来还是完全自力更生比较好。 月球上有水是个没有争议的事实,由月球探测器传回的数据表明,在月球表面确实发现了水的存在。但月球表面发现的水并不是液态的,而是固态和气态的。而且,月面其他部分是否也像该区一样有水的存在以及水存量的多少还有待进一步考证。近期科学家又依靠探测器数据证实了月球不仅表面有水,地下也存在着水,且地下水的含量可能远比地表大。布朗大学科学家拉尔夫等人发现,月球上的水被锁在月球表面古老火山喷发形成的古灰岩中,科学家在一些火山喷发后区域发现了水分子的信号。同时,月表下面大量的火山沉积物中都显示出水分的存在,甚至可以认为月球内部大部分地方都有水。不仅如此,在2009年11月,美国科学家称,通过半人马座火箭在凯布斯月球坑的撞击测试,发现了至少25加仑的水分布在扬起的尘埃中,要知道这是单个撞击所扬起的水量,如果算上其他地方的,月球表面下的水分还会更多。埃姆斯研究中心目前已经收集到大量月球水分的数据,绘制出一幅月球水资源分布图,告诉我们那儿可以找到水源。这是一个重要的发现,这意味着月球上的水有望成为人类走向外太空的重要补给点。事实上,根据现今的研究,太阳系内的天体中,只有太阳和金星上没有水的存在(金星的温度过高,以至于水分子分解)。 月球上是有水的,到底有多少还需要数据来说话。 早在几十年前,科学家就猜测在月球两极的永久阴影区会有水结成的冰,天文学上一般简称水冰。 不像地球喜欢斜着转,月球基本是垂直着转的,也就是说月球自转轴和跟着地球一起绕太阳转的那个平面的夹角近似为九十度。这样月球两极有些地方(比如环形山的阴影里)会一直照不到太阳,保持零下一百五十多度的低温,形成永久阴影区。 于是这些年来发射了不少月球探测器,专门在月球极区找水冰。有的探测器在月球表面找到了氢元素的存在,有的探测器最后还会撞击月球表面,还真的撞击出水蒸气来了。 不过这些观测都还不能确定倒底是不是水、是什么形态的水。直到上周,由中国人李帅带领的一个国际科研团队,在印度十年前发射的月船1号的光谱数据里挖掘出了新的发现,这一发现确定了月球极区有水冰的存在。 这次发现的水冰只占永久阴影区的3.5%,而且这些水冰还是跟月球土壤混合在一起的,所以算不上大量,至于在月球表面以下会不会有更多,还要等待更多的数据才能判断。 可以确定的是,月球因为个头小引力弱,无法留住大量的气态水,月球表面温度要么很高要么很低,也没法保持大量的液态水,所以月球上找水的关键可能就是水冰了。 月球表面或浅土层不可能有水。如果有水也只能含在有一定压力温度的深岩土层里。因为月球表面白昼温度非常高(最高时可能达到120多度)持续时间很长(约300多小时)、气压又接近0。如果地表面或浅土层有水成分,很容易升华到空中形成水汽层。而且月球的引力很小。漂浮在空中的气体很难被月亮长期的收容。水汽一旦进入空中,将被地球太阳强大的引力拉向高空(月亮地球太阳在一线时拉的最远)。月亮就很可能失去水汽。《NASA宣称月球极地发现大量水资源,足够人类远征火星百年所需》根据发表在 PNAS 期刊上的一项研究,科学家在月球的两极发现了冰冻水的直接证据。这一发现是基于印度在 2008 年发射的月船 1 号探测器携带的 NASA 仪器月球矿物绘图仪所收集的数据。研究人员重新分析了数据,在月球北极和南极地区的陨石坑发现了与岩石混杂在一起的细小冰块。参与该研究的夏威夷大学地质学家 Shuai Li 表示,冰的来源无法从数据里得出。他推测可能来自于撞击月表的彗星。陨石和彗星等天体的撞击在月球上留下可坑坑洼洼的表面,带来了冰等物质。冰也可能来自月岩下的气体。他认为要发现冰的真正起源需要发射月球车去提取冰的样本。 对一颗正常的行星类的星球来说,元素或化合物的分布都基本按照中心为最重元素,轻点的次之,再轻点的再次之这一规律,拿我们地球来说,地壳及以上物质分布规律是这样的:地壳是较重化合物组成的各种岩石构成,岩石表面是岩石风化形成的结构较松的土壤,岩石中土壤中或土壤表层是密度更小的水,再上层就是气体了。由于氢是宇宙中的基本元素,也是宇宙中丰度最高的元素,氧在元素周期表上排第8位,在一般的恒星中很容易就能合成,在宇宙中的丰度也不低,因此氢氧两种元素合成的水在宇宙中的丰度较高,是宇宙中常见物质。月球由于自身质量偏小,引力小,留不住空气,阳光直射下温度有一百七十度上下,又没有大气压,有水的话也很快就气化了,就算有地下水,因为土壤或岩石在水的作用下会形成毛细管效应,月球地底深部的地下水会沿着毛细管源源不断地向地表输送,被太阳蒸发到空中,最后逃脱月球引力逸散在宇宙太空。估计火星上的水也是这样耗光的。因此,既使月球在形成时含有大量的水,在几十亿年的逃逸下也消耗尽了。唯一可能的是在月球两极,由于太阳极度斜射,温度极低,原有的水冰封在地表地下,但由于几十亿年的零气压升华,估计有也不多。综合上述分析,可以肯定,那美国砖家在胡说八道。 月球发现水早就是事实,不是什么传闻。据估计月球上的水量非常客观,主要分布在大的环形山的阴影部分,还有月球极地永不见光的地方。现在认为这些水是彗星带来的,不过人类想利用这些水资源难度还是不小的。

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