太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)系內(nèi)部傳遞揮發(fā)分的重要樞紐。月壤因長(zhǎng)期暴露在太陽(yáng)風(fēng)中，成為保存揮發(fā)分的理想材料。然而，太陽(yáng)風(fēng)在注入月球表面（時(shí)）后可能會(huì)經(jīng)歷擴(kuò)散、濺射、磨蝕等復(fù)雜過(guò)程。稀有氣體（氦、氖和氬等）因其獨(dú)特的化學(xué)惰性可能能作為這些復(fù)雜過(guò)程與太陽(yáng)風(fēng)相互作用的穩(wěn)定示蹤物。以往基于阿波羅樣品的研究發(fā)現(xiàn)，月壤中的稀有氣體豐度與現(xiàn)今太陽(yáng)風(fēng)的初始組成存在系統(tǒng)偏差。這種偏差究竟代表了太陽(yáng)本身的變化，亦或是太陽(yáng)風(fēng)植入月表之后的二次改造？早期的熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)與理論模型對(duì)部分過(guò)程進(jìn)行了解釋?zhuān)?qū)動(dòng)這些分餾現(xiàn)象的核心機(jī)制仍不清楚。這些未知的分餾過(guò)程可能是了解太陽(yáng)風(fēng)與月表相互作用以及月表?yè)]發(fā)分傳輸機(jī)制的關(guān)鍵。
長(zhǎng)石是月球上最豐富的礦物，因此研究其記錄的太陽(yáng)風(fēng)分餾機(jī)理將代表了月表大多數(shù)區(qū)域的太陽(yáng)風(fēng)來(lái)源揮發(fā)分的分餾過(guò)程。同時(shí)，相較于橄欖石、輝石等礦物，它的稀有氣體同位素和元素分餾對(duì)擴(kuò)散作用高度敏感，可能是記錄月球表面過(guò)程的“靈敏探測(cè)器”。嫦娥五號(hào)著陸點(diǎn)的表面溫度比阿波羅著陸點(diǎn)低約20K，推測(cè)這種相對(duì)較低溫的環(huán)境可能減少了長(zhǎng)石中稀有氣體的擴(kuò)散效應(yīng)，使其有更好的保存。
在這一背景下，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士后張徐航，在導(dǎo)師賀懷宇研究員的指導(dǎo)下，與稀有氣體實(shí)驗(yàn)室、嫦娥七號(hào)揮發(fā)分載荷團(tuán)隊(duì)成員、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心成員等多個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)36粒從嫦娥五號(hào)月壤中挑選并篩選出的高純度斜長(zhǎng)石單顆粒的稀有氣體展開(kāi)了綜合研究，為厘清這些問(wèn)題提供了新的契機(jī)。
結(jié)果顯示，嫦娥五號(hào)樣品中保存的太陽(yáng)風(fēng)信號(hào)較為“原始”，記錄了相對(duì)完整的太陽(yáng)風(fēng)注入和二次過(guò)程改造的綜合效應(yīng)。與阿波羅樣品相比，嫦娥五號(hào)斜長(zhǎng)石的He/Ne/Ar比值存在更廣泛且具有規(guī)律性的差異。但即使嫦娥五號(hào)長(zhǎng)石的記錄相對(duì)“原始”，其記錄的太陽(yáng)風(fēng)值與太陽(yáng)風(fēng)初始值仍存在差異（圖1）。通過(guò)對(duì)稀有氣體同位素比值結(jié)合宇宙暴露年齡的分析，發(fā)現(xiàn)這一分餾發(fā)生在注入的瞬間，而非后期改造階段，是造成元素比偏離太陽(yáng)風(fēng)初始值的主要機(jī)制。進(jìn)一步的模擬（擴(kuò)散、濺射以及背散射效應(yīng)）評(píng)估表明，這種分餾由太陽(yáng)風(fēng)注入過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量依賴(lài)分餾所致。
圖1 嫦娥五號(hào)長(zhǎng)石與阿波羅長(zhǎng)石4He/36Ar與20Ne/36Ar比值結(jié)果對(duì)比
通過(guò)結(jié)合嫦娥五號(hào)與阿波羅斜長(zhǎng)石樣品的結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)三階段模型：太陽(yáng)風(fēng)與宇宙射線(xiàn)輻照注入、局部熱驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散及再輻照（圖2；以上三個(gè)階段可能多次發(fā)生）。這一模型能系統(tǒng)地解釋月壤中輕稀有氣體的豐度變化與同位素特征。研究指出太陽(yáng)風(fēng)注入與氣體逃逸并非獨(dú)立過(guò)程。部分輕元素（如He、Ne、H、OH等）在注入瞬間可能會(huì)因礦物表面的晶格損傷而發(fā)生瞬時(shí)擴(kuò)散釋放到月球外逸層，提供穩(wěn)定的、具有太陽(yáng)風(fēng)組成的氣體來(lái)源。微隕石撞擊及晝夜溫差造成的短時(shí)高溫也進(jìn)一步促進(jìn)了氣體的釋放（擴(kuò)散）過(guò)程，使不同顆粒間稀有氣體的豐度出現(xiàn)更顯著的差異。這些機(jī)制為月球外逸層中持續(xù)存在的太陽(yáng)風(fēng)來(lái)源氣體提供了新的解釋。并且，太陽(yáng)風(fēng)注入時(shí)和注入后的擴(kuò)散損失與太陽(yáng)風(fēng)的再輻照過(guò)程共同構(gòu)成了將太陽(yáng)風(fēng)來(lái)源的揮發(fā)分從月球低溫光照區(qū)輸送至月球極區(qū)冷阱的有效途徑。極區(qū)冷阱的揮發(fā)分極有可能存在太陽(yáng)風(fēng)來(lái)源的組分。研究同時(shí)強(qiáng)調(diào)，在利用月球樣品重建太陽(yáng)風(fēng)組成時(shí)，必須考慮這些過(guò)程引起的系統(tǒng)性偏移。只有在校正相關(guān)分餾效應(yīng)后，才能準(zhǔn)確利用月球及其他地外樣品評(píng)估過(guò)去太陽(yáng)風(fēng)的初始組成與太陽(yáng)的演化趨勢(shì)。
圖2 輕稀有氣體（He、Ne、Ar）的同位素與元素演化過(guò)程。三個(gè)階段：在階段I，斜長(zhǎng)石顆粒最初受到太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線(xiàn)的共同照射。太陽(yáng)風(fēng)粒子注入礦物表面的瞬間，就已經(jīng)發(fā)生了同位素和元素比例的分餾，而宇宙射線(xiàn)產(chǎn)生的氣體幾乎未受影響（此時(shí)T21/T38≈1）。在階段II，月球表面的溫度波動(dòng)或微隕石撞擊可能引發(fā)熱擾動(dòng)，使部分氣體發(fā)生擴(kuò)散并逃逸。這一過(guò)程對(duì)太陽(yáng)風(fēng)起源的氣體和宇宙成因氣體都有不同程度的影響，導(dǎo)致稀有氣體豐度進(jìn)一步改變。在階段III，氣體重新被輻照的情況取決于顆粒的埋藏深度。暴露在月壤表面的顆粒（主要對(duì)應(yīng)嫦娥五號(hào)樣品）重新獲取了太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線(xiàn)成分；而埋藏較深、受到太陽(yáng)風(fēng)屏蔽的顆粒（主要對(duì)應(yīng)阿波羅樣品）則僅積累了宇宙射線(xiàn)產(chǎn)生的氣體
以上這些結(jié)果說(shuō)明太陽(yáng)風(fēng)在塑造月球外逸層和極區(qū)物質(zhì)分布中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，直到現(xiàn)在，仍然廣泛影響著行星表面揮發(fā)分的運(yùn)移和分布。該研究既為理解太陽(yáng)風(fēng)與無(wú)大氣天體表面的相互作用提供了新的機(jī)理框架，也為重建太陽(yáng)演化歷史、約束行星揮發(fā)物起源及太陽(yáng)星云組成提供了重要依據(jù)。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊EPSL（張徐航，蘇菲， Guillaume Avice, David V. Bekaert, Tomoya Obase, Yuta Otsuki, Finlay M. Stuart, 張英男, 聶家?guī)r, 李曉光, 周潤(rùn)青, 劉子恒, 李又娟, 李健楠, Thomas Smith, 賀懷宇*. He, Ne, and Ar Isotope Systematics in Chang’e-5 Plagioclase Reveal Diffusive Loss and Reirradiation Processes [J].?Earth and Planetary Science Letters, 2025. DOI:?10.1016/j.epsl.2025.119666.）。特別感謝馬紅霞老師在樣品轉(zhuǎn)移方面的協(xié)助，趙雅茹老師在微量天平使用中的支持，以及武漢大學(xué)汪斯喬在CT數(shù)據(jù)處理中的貢獻(xiàn)。研究得到了以下項(xiàng)目的資助：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42241105，42241104，42203036），中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)與基礎(chǔ)研究局項(xiàng)目（QYJ-2025-03），中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目（XDB41010205），中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)科研項(xiàng)目（IGGCAS-202101，IGGCAS-202401，IGGCAS-202203），中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDBS-SSW-JSC007-7）聯(lián)合資助。
張徐航（博士后）