近日，中国科学院地球化学研究所月球与行星科学研究中心联合南京大学地球科学与工程学院国际同位素效应研究中心，在月表太阳风成因水形成机制研究方面取得重要进展。研究团队通过开展不同温度条件下的太阳风质子注入模拟实验，首次系统揭示了太阳风质子注入过程中羟基（OH）形成的温度依赖性及动力学特征，提出了太阳风成因OH形成的温度依赖分支机制（temperature-dependent branching mechanism），为理解月球表面OH/H₂O的形成过程及其纬度分布提供了新的实验依据和理论框架。相关成果发表于国际学术期刊Earth and Planetary Science Letters。
月球表面长期暴露于太阳风辐照环境，太阳风质子与月壤矿物相互作用形成OH/H₂O，被认为是月球非极区水的重要来源。然而，太阳风成因OH形成过程的动力学规律及其温度控制机制一直缺乏实验约束，这也是准确理解月球表面水形成、演化及遥感观测结果的重要科学问题。
针对这一问题，研究团队利用自主建立的太阳风模拟实验平台，在20 ℃、90 ℃和130 ℃三种温度条件下，对San Carlos橄榄石开展了不同注量的H⁺离子注入实验，并结合显微傅里叶变换红外光谱（Micro-FTIR）分析，系统研究了OH形成过程的动力学特征(图1)。实验结果表明，随着质子注量增加，OH含量呈指数增长并最终达到饱和；同时，OH饱和浓度随温度升高显著降低，而表观反应速率常数却随温度升高而增加，表明OH形成速率与最终OH产率发生了解耦。
图1. 不同温度下橄榄石中OH含量随H⁺注入量的变化
为了进一步阐明其形成机制，研究团队开展了注入后热处理实验。结果发现，在实验涉及的温度范围内，已经形成的OH具有较高的热稳定性，加热并不会导致OH发生明显损失。这说明，高温条件下OH含量降低并非来源于OH形成后的热脱附，而是在OH形成过程中产生。基于实验结果，研究团队提出了太阳风成因OH形成的温度依赖分支机制（图2）。研究认为，太阳风质子注入矿物后，氢原子存在两条竞争反应路径：一部分与矿物晶格中的氧结合形成OH；另一部分则发生H–H重组形成H₂并逸散。随着温度升高，氢原子扩散能力增强，H–H重组反应更加容易发生，导致更多注入氢以H₂形式损失，从而降低OH形成效率和最终饱和浓度。该机制能够合理解释实验中"OH饱和浓度降低而反应速率增加"这一现象，并为月球OH/H₂O纬度分布提供了新的解释。此外，研究发现H⁺向OH的转化效率并非常数，而是随着质子注量增加持续降低。这一发现解释了不同实验研究中太阳风成因OH形成效率存在较大差异的原因，为建立更加准确的太阳风成因月球水形成模型提供了新的动力学约束。
图2.太阳风质子注入硅酸盐矿物过程中OH形成与H₂生成竞争反应的温度依赖性分支机制示意图
该研究从动力学角度揭示了太阳风成因OH形成过程受温度控制的新机制，丰富了人们对月球表面水形成与演化过程的认识，为月球水资源形成机制研究、月球遥感数据解译以及未来月球资源评价提供了重要理论依据，也为其他无大气天体表面太阳风-矿物相互作用研究提供了新的思路。
论文信息：Qi-ao Chen1, Wen Yu *1, Hao Yan * , Tian Zhang , Hong Tang , Xiongyao Li. (2026) Temperature-dependent kinetics and saturation of OH formation during solar wind proton implantation. Earth and Planetary Science Letters, 692, 15. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120236
中国科学院地球化学研究所硕士研究生陈淇奥和高级工程师于雯为论文共同第一作者，高级工程师于雯与南京大学副教授晏浩为论文共同通讯作者。合作者包括中国科学院地球化学研究所的张天（博士研究生），唐红研究员和李雄耀研究员。该工作受到了国家自然科学基金（42578022, 2241104）、和中央高校基础研究经费（0206/14380232）共同资助。
（月球中心 于雯/供稿）