阿波罗17号月球火山玻璃在月表的长期降温与脱气

月球玻璃为何重要

在月球上，微小而色彩斑斓的玻璃珠保存着关于我们最近邻天体如何形成、火山活动持续了多长时间，甚至它曾如何短暂维持极其稀薄的大气的线索。本研究聚焦于阿波罗17号采集的橙色火山玻璃，提出一个看似简单却意义深远的问题：这些玻璃珠在喷发后保持高温并持续逸出气体了多久？答案重塑了我们对月球喷发过程以及水和其他气体在无大气月球上如何循环的理解。

无空气世界的火泉

与形成深色“月海”的广阔熔岩平原不同，部分月球喷发更像巨大的火泉，将熔融液滴喷向太空。随着这些液滴冷却，它们转变为玻璃珠，鲜艳的颜色反映了它们的化学成分与来自的地幔深度。由于这些玻璃来自月球地幔较深且原始的部分，并富含易挥发元素，因此它们是记录月球内部及其隐藏水源和其他气体的极佳天然档案。

被困气体的小型时光胶囊

编号为74220的阿波罗17号样品极具价值，因为它包含三类相关材料：完全暴露于太空的玻璃珠、完全被包裹在晶体内部的狭窄熔融囊，以及与外部相通的部分开放“熔融嵌室”。完全封闭的囊体保存了喷发前水、氟、氯和硫的原始丰度；部分开放的嵌室和暴露的玻璃珠则显示出这些气体逐步更强烈的损失。通过比较这三类样品，作者重建了逸失气体的数量和时间。他们发现许多玻璃珠中的水和氯被剥离超过90%，远高于扩散更慢的硫的损失程度。

短暂停留的飞行无法解释如此大量脱气

以往研究假定几乎所有气体损失都发生在液滴被从喷口抛出后的“自由飞行”阶段——最多几分钟便落地。作者用详细模型检验了这一观点，模拟气体如何在高温玻璃中扩散并在液滴冷却时从表面逸出。他们还对贯穿一颗晶体的约300微米尺度的长熔融嵌室建模，该嵌室理应保留沿其移动的气体速率记录。在两种情况下，要匹配观测到的水、氟、氯和硫的严重损失，都需要数千秒以上的冷却和扩散时间——远超过任何现实飞行路径所允许的时间。即使在更快扩散的宽松假设下，所需时间仍无法缩短到几分钟级别。

月尘之下的缓慢烘烤

为了解决这一不匹配，作者考虑了玻璃珠落地之后的情形。月壤极为松软且导热性差，因此一层厚厚的热玻璃与尘土混合物可以起到绝热作用。热模型显示，埋在表面下仅约30厘米的橙色玻璃可能在其“玻璃转变”温度附近维持多年——温度足以让原子缓慢移动。当作者在模型中加入第三阶段的长期温暖埋藏，让玻璃珠和嵌室在这一转变温度附近维持大约三年或更久时，预测的气体损失才与实测值相符。在这种情形下，大部分脱气并非发生在空中飞行中，而是在埋入表层下的长期缓慢烘烤过程中发生。

长期存在的月球呼吸

该研究得出结论：阿波罗17号的橙色玻璃沉积在火泉喷发结束后仍保持高温并持续逸出水、硫和卤素等气体数年。先埋的玻璃珠可能冷却得更慢，改变其组织并导致更多气体逸失以及随后从上覆层的再吸入。这意味着月球的火山碎屑沉积并非短暂的一次性气体释放源，而是长期存在的发散体，可能帮助维持局部稀薄的大气并将挥发物输送到永久阴影区的冷陷阱。简言之，月球的火焰喷泉可能演变为一种缓慢释放的呼气，在最后火花熄灭后很长时间内悄然塑造其表面化学性质。

引用: Ni, P., Zhan, Y. Prolonged cooling and degassing of Apollo 17 volcanic glasses on the lunar surface. Nat Commun 17, 2291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69087-8

关键词: 月球火山活动, 火山碎屑玻璃珠, 挥发物脱气, 阿波罗17号, 月球大气