当你在学校里学习月球时，通常会告诉你，月球的引力不足以捕获和保留任何有意义的大气层。尽管如此，月球仍被一圈稀薄、短暂的气体光环——外逸层——所环绕。
这一惊人的事实首次被执行阿波罗计划访问月球的宇航员携带的仪器发现。月球微弱的引力意味着外逸层的组成原子会不断地消散到太空中——因此，它的持续存在意味着这些原子的供应正在不断得到补充。
一项于 8 月 2 日发表在《科学进展》杂志上的新研究，正是探讨了这种补充是如何发生的。它研究了一组元素，这些元素在月球大气层中的存在可能会让任何学过化学的人感到惊讶：碱金属。
碱金属是元素周期表的第一族，包括锂、钠、钾、铷和铯（以及放射性极强、无法大量存在的钫）。为什么它们的存在会令人惊讶？在地球上，它们以其反应性而闻名，正如经典的তাই-中学演示中所证实的，一块钠遇到水会发生什么。然而，在月球上，情况则大不相同。
正如论文的首席作者 Nicole Nie 教授告诉《大众科学》：“在月球的土壤和岩石中，碱金属被束缚在矿物质中，与氧和其他元素形成稳定的化学键。但当它们从地表释放出来时，通常会变成中性原子。月球上没有液态水或明显的大气层，所以这些金属可以保持其元素形态——而且，由于月球大气中的原子数量极少，原子可以自由地长距离传播而不会相互碰撞。”
然而，这确实引发了一个问题：原子最初是如何从地表释放出来的。这篇论文试图回答这个问题——特别是，三个被称为“空间风化”的过程的相对贡献。这三个过程的共同点是它们都涉及物体撞击月球表面，并将碱金属元素从它们所束缚的矿物化合物中敲出来。（这些过程也会释放其他元素，但碱金属的挥发性使其特别容易被释放。）
第一个过程是微陨石撞击，微小的太空碎片以足够的力撞击，将月球表面一小部分汽化，并将构成它的原子送入轨道。第二个过程是离子溅射，太阳风驱动的带电粒子撞击月球表面。最后是光子激发解吸，这是太阳发出的高能光子将碱金属敲松。
正如论文所指出的，虽然每个过程都得到了充分的研究，但之前的研究“未能明确区分它们对月球大气的[相对]贡献”。为了做到这一点，Nie 和她的团队回到了问题的根源：阿波罗计划。20 世纪 60 年代末和 70 年代初的几次载人登月任务带回了总共 382 公斤的月球土壤样本，几十年后，这些样本仍在向研究人员揭示它们的秘密。Nie 的研究检查了来自五个不同阿波罗任务的 10 个样本，包括几次来自首次载人登月的阿波罗 8 号任务。
该团队利用这些样本来研究土壤中不同钾和铷同位素的相对比例。（钠和铯每种只有一种稳定同位素，而锂的挥发性低于其较重的同类元素。）正如 Nie 向《大众科学》解释的那样，“元素较轻的同位素在这些过程中被优先释放，导致月球土壤的同位素组成相对较重。对于受到空间风化影响的元素，我们预计月球土壤会显示出重的同位素组成，而深层未受影响的岩石则不然。”
不同的空间风化过程产生不同的同位素比例，而该团队的结果表明，微陨石撞击对月球大气层的贡献最大，“可能贡献了大气中超过 65% 的[钾]原子，其余由离子溅射贡献。”
这为我们了解月球大气层数十亿年来的演变提供了宝贵的见解——虽然其成分在较短的时间尺度上可能会发生变化，但这些结果表明，从长远来看，微陨石撞击在月球大气层的持续补充中起着主导作用。这项研究还指出了如何对其他类似月球的天体进行类似的研究，例如火星的两颗卫星之一的火卫一。
