7 دقیقه
شواهد جدید پیوند اکسیژن زمین به زنگ‌زدگی روی ماه
کارهای آزمایشگاهی تازه نشان میدهد حضور شگفت‌انگیز هماتیت — یک اکسید آهن که معمولاً بهعنوان زنگ شناخته میشود — در قطب‌های ماه احتمالاً ناشی از اکسیژن فراری است که از زمین خارج میشود، نه صرفاً واکنش‌های شیمیایی محلی روی سطح ماه. پژوهشگران با شبیه‌سازی محیط ذراتی که ماه هنگام عبور از دم مغناطیسی زمین تجربه میکند، دریافتند یونهای اکسیژن میتوانند برخی مواد حاوی آهن در خاک ماه را اکسید کنند و هماتیت تولید کنند؛ الگوهای تولید شده در آزمایشها با مشاهدات مداری همخوانی دارند و مکان‌هایی را نشان می‌دهند که هماتیت در واقع در ماه یافت شده است.
Scientific background: why hematite on the Moon is puzzling
هماتیت (Fe2O3) زمانی شکل می‌گیرد که آهن الکترون از دست بدهد (اکسیداسیون) در حضور اکسیژن و اغلب آب. اما ماه جو قابل‌توجهی ندارد و تنها اگزوسفر فوق‌العاده نازکی دارد که تقریباً بدون اکسیژن آزاد است. علاوه بر این، سطح ماه دائماً در معرض باد خورشیدی قرار دارد؛ پدیده‌ای از پلاسما که مملو از هیدروژن است و با تامین الکترون، سطوح را بهطور شیمیایی کاهش میدهد — امری معکوس نسبت به اکسیداسیون. این شرایط باعث میشود کشف هماتیت در نیم‌رخ نزدیک و به‌ویژه در نزدیکی قطب‌ها غیرمنتظره به‌نظر برسد و سوالاتی اساسی درباره منبع اکسیژن و مکانیزم اکسیداسیون برانگیزد.
An enhanced map of the hematite distribution on the near side of the Moon. (Shuai Li)
یکی از تبیین‌های مطرح‌شده زمین را وارد معادله میکند. با فشار خورشیدی که باد خورشیدی را تولید میکند، میدان مغناطیسی زمین بهصورت دم‌مانندی کشیده میشود که به آن دم مغناطیسی یا magnetotail گفته میشود. این دم گاهی ذراتی از لایههای بالایی جو زمین — شامل یونهای اکسیژن — را به‌سوی فضا و در جهت ماه هدایت میکند. وقتی ماه هنگام بدر وارد دم مغناطیسی میشود، یک پالس از اکسیژن زمینزاد به آن می‌رسد در حالی که بخش عمده باد خورشیدی تا حدی توسط سایه زمین مسدود میشود. این شرایط پنجره‌های دورهای از شار اکسیژن بالاتر و بمباران هیدروژن کمتر ایجاد میکند — وضعیتی که میتواند فرصت‌هایی برای اکسیداسیون فراهم آورد.
Laboratory simulations: reproducing Earth wind on lunar minerals
برای بررسی اینکه آیا اکسیژن منشاء زمینی میتواند مواد ماهی را اکسید کند یا نه، گروهی به رهبری شیان‌دی زِنگ از دانشگاه علوم و فناوری ماکائو مجموعه‌ای از آزمایشهای یون-پرتو انجام دادند. آنها مواد شبیه‌سازی‌شده خاک ماه — مانند پیروکسن، اولیوین، ایلمنیت، ترویلیت، آهن فلزی و یک شهاب‌سنگ آهنی — را در برابر پرتودهی با بسته‌های یون اکسیژن پرانرژی قرار دادند تا «باد زمین» در دم مغناطیسی شبیه‌سازی شود، و همین‌طور با بسته‌های یون هیدروژن آزمایش‌هایی انجام دادند تا شرایط باد خورشیدی بازتولید شود. طراحی تجربی شامل کنترل انرژی یون‌ها، فلون ذرات و دمای نمونه‌ها بود تا شرایط محیطی نزدیک به آنچه ماه هنگام عبور از دم مغناطیسی تجربه میکند تقلید شود.
A diagram illustrating the configuration of Earth, the Moon, and the Sun that could produce hematite. (Osaka University/NASA)
نتایج نشان داد یونهای اکسیژن میتوانند آهن فلزی، ایلمنیت و ترویلیت را به هماتیت تبدیل کنند؛ آهن فلزی بیشترین حساسیت را نشان داد. سیلیکاتهای آهندار مانند پیروکسن و اولیوین تحت همان شرایط هماتیت تولید نکردند که نشان میدهد فرآیند اکسیداسیون وابسته به نوع کانی است. تیم تحقیق همچنین مشاهده کرد که مگنتیت (Fe3O4) میتواند بهعنوان مرحله میانی در مسیر تبدیل فلز به هماتیت ظاهر شود؛ این مشاهدات از لحاظ معدنی معقول است زیرا مگنتیت یک اکسید آهن با نسبت اکسیژن کمتر است که میتواند در حضور اکسیژن بیشتر به هماتیت اکسید شود.
Hydrogen reduction and the role of the solar wind
برای سنجش این که آیا بمباران هیدروژنیِ پسینِ باد خورشیدی میتواند آن اکسیداسیون را بازگرداند، تیم آزمایشی هماتیت مصنوعی تولید شده در آزمایش را با یونهای هیدروژن با انرژی‌های مختلف تابانید. پرتوهای هیدروژن با انرژی بالا که با ذرات «باد زمین» پرانرژی مقایسه‌پذیر هستند، توانستند هماتیت را به فازهای آهن با اکسیژن کمتر کاهش دهند و در این فرایند مولکول آب بهعنوان محصول جانبی تولید شود. در مقابل، شارهای هیدروژن با انرژی پایین‌تر که نماینده شرایط متوسط باد خورشیدی هستند، کارایی لازم برای بازگرداندن هماتیت بهطور کامل را نداشتند. این یافته توضیح میدهد که چرا هماتیت میتواند پایدار بماند: پالس‌های دورهای اکسیژن زمینی میتوانند مواد حساس را اکسید کنند، در حالی که باد خورشیدی عادی قادر نیست تمام آن اکسیداسیون را خنثی کند.
Implications for lunar science and Earth–Moon exchange
تشکیل گزینشی هماتیت در نزدیکی قطب‌های ماه همچنین با هندسه دم مغناطیسی همخوانی دارد: دم مغناطیسی زمین یونهای اکسیژن پرانرژی را به سمت عرض‌های جغرافیایی بالاتر ماه هدایت میکند و در عین حال بخش عمده هیدروژن ورودی از باد خورشیدی را منحرف میسازد. نتایج آزمایشگاهی همچنین نشان میدهد آب مشاهده‌شده در نزدیکی نقاطی که هماتیت در آنها یافت شده میتواند محصول ثانویه کاهش هماتیت باشد، و لزوماً عامل اولیه تولید هماتیت نیست. این تمایز اهمیت دارد، زیرا پیش‌تر برخی از مطالعات آب و هماتیت را بهعنوان دلایل متقابل در نظر گرفته بودند؛ اما داده‌های جدید نشان میدهد رابطه ممکن است پیچیده‌تر و دوطرفه باشد.
اگر اکسیژن زمینی از میلیاردها سال پیش به ماه منتقل شده باشد، رسوبات هماتیت ماه میتوانند بازتابی از تغییرات سطح اکسیژن جو زمین در گذر زمان زمین‌شناختی باشند — شاید حتی تا رویداد بزرگ اکسیژناسیون حدوداً 2.4 میلیارد سال پیش. چنین فرضیه‌ای این امکان را پیش می‌نهد که رسوبات ماه به‌مثابه آرشیوی از تاریخ اکسیژن‌سازی زمین عمل کنند، به شرطی که تاریخ‌گذاری و آنالیزهای ایزوتوپی و معدنی بتوانند سن و منشا این اکسیدها را تعیین کنند. مأموریت‌های اخیر و آینده که قطب جنوب ماه را هدف قرار داده‌اند — از جمله فرود موفق Chandrayaan-3 و مأموریت برنامه‌ریزی‌شده Chang'e-7 — شانس نمونه‌برداری از رگولیت غنی از هماتیت و آزمون میدانی این فرضیات را فراهم می‌کنند؛ نمونه‌هایی که میتوانند آنالیزهای میکروسکوپی، ایزوتوپی و معدنی را در پی داشته باشند.
Conclusion
آزمایشهای تابش یون در آزمایشگاه، شواهد را تقویت می‌کنند که اکسیژن فرار از زمین عامل اصلی اکسید‌کننده‌ای است که هماتیت را روی ماه تولید میکند. این یافته‌ها یک تبادل شیمیایی ظریف اما پایدار میان زمین و ماه را که توسط دینامیک مغناطیسی میان‌سیاره‌ای میانجی‌گری میشود نشان میدهد و پیامدهایی برای شیمی سطح ماه، تاریخچه جو زمین و نمونه‌برداری یا اکتشافات در محل (in situ) رگولیت‌های قطبی در آینده دارد. بررسی دقیق‌تر این تعامل میتواند دیدگاه‌های جدیدی در مورد انتقال مواد بین سیاره‌ای و نقش میدان‌های مغناطیسی در شکل‌دهی شیمیای سطوح اجرام کوچک ارائه دهد، و همچنین در برنامه‌ریزی مأموریت‌های بازگرداننده نمونه و استخراج منابع فضایی اثرگذار باشد.
منبع: sciencealert
نظرات