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远古月球磁场去哪儿了 解谜关键是找到内部“发电机”

发布时间:2020/04/11 科技 浏览:267

如果有机会登上月球,你会发现,在那里即使带上指南针,也找不到北了。这是因为现在的月球几乎没有磁场。

然而,情况并非一直如此。最近一项发表在《科学进展》上的研究认为,月球曾经有过强大的磁场,大约在距今15亿至10亿年的这段时间里,月球内部“发电机”停止了工作,导致其内禀磁场逐渐消失。

所谓内禀磁场,是指行星内部自发生成、保持和改变的磁场。如此古老且踪迹难觅的月球磁场,科学家是如何“追查”到的?月球内部“发电机”是如何运转和演变的?研究古老的月球磁场能回答哪些科学问题?

如何探寻古老的月球磁场

众所周知,我们的地球拥有强大的磁场。当太阳风侵袭地球时,由于磁场的阻挡,地球周围会形成一个巨大的“隐形壳体”——磁层,阻挡了绝大部分太阳风等离子体进入地球,这不仅能防止我们的大气层被太阳风剥离,也对地球生物形成了有效的保护。

磁场的重要性不言而喻。月球是一个类似地球的固体行星类天体,月球磁场自然也是行星科学家关注的焦点之一。过去数十年的探测和观测发现,当今月球整个月面的平均磁场强度小于0.2微特斯拉,表明其目前要么根本不存在全球分布的磁场,要么仅仅存在一个极端微弱的全球磁场。

同时,探测也发现月球存在着明显的月壳磁场强度异常分布。中国科学院国家天文台研究员平劲松介绍,探测和研究月球磁场的方式主要有两类,一类是通过绕月卫星和着陆器携带的磁力仪和电子反射谱仪等设备探测月壳现存的剩余磁场空间分布;另一类是对阿波罗探月计划采集的月面岩石样品进行分析,获得剩余磁场信息和撞击时代信息,推断早期月球磁场的存在和演化特性。

其中,使用岩石样品研究磁场是地球物理场检测分析的经典技术之一,在古地磁研究中也经常用到。早在1971年,科学家们就对阿波罗11号采样得到的两块月岩样品进行了实验室分析,确认了月球岩石样品中存在微弱剩余磁场,并排除了岩石长期暴露在地球磁场中而产生感应磁场的可能性。

“月球火成过程中的喷发物质冷却凝结时,构成月球岩石的微粒与当时月球磁场方向保持一致。被冻结在这些数十亿年的岩石中,保留了当时月球磁场强度和方向等物理信息。”平劲松解释道。

月球磁场与地球磁场的特性截然不同,使得月球磁异常的起源成了一个极重要的、存有争议的月球科学问题。学界一般认为,绕月卫星观测到的月壳微弱磁场和月球磁异常源于月壳在一定磁场环境中的自然剩余磁化,有理由推测在月球诞生后的演化早期存在类似地球的内禀磁场,比如存在一个早期的发电机磁场。

“上面提到的两类对月球磁场的探测研究都推断认为,月球在距今40亿年前左右,出现过发电机磁场。”平劲松指出。

月球内部“发电机”怎么运转演变

发电机理论,是解释天体磁场成因的假说之一。依照该理论,天体内核有着温度很高的液态金属物质,它们在循环活动时产生电流,进而形成磁场。电流越大,形成的磁场就越强。

“发电机机制是行星产生磁场的关键,月球为科学家提供了探索中等尺度类地行星天体发电机演化和寿命的绝佳机会。”平劲松指出。

有研究认为,月球的首次发电机效应可能在40亿年前产生了强大的磁场。在距今约42.5亿到35.6亿年间,月球表面的磁场强度在20—110微特斯拉之间,最大强度约为地球当前磁场强度的两倍。由此可见,月球内部“发电机”一度很强大,其寿命也相当长。

如此强大的“发电机”是怎么运转的?平劲松解释道,月球早期的发电机磁场类似地球的发电机磁场,是含有金属的液态岩浆核在移动时产生电流的产物,月球磁场对保护月面免受太阳风侵袭起到过重要的作用。

在月球早期历史中,强大磁场可以保护月球表面不受太阳风的影响,阻止表面被快速风化,同时避免月球土壤中包含大量来自太阳气体的成分。在这之后,月球磁场强度开始减弱,大约在31.9亿年前时已经下降了至少一个数量级。

对月球“发电机”的成因,还有另一种推测。有行星科学家认为,在岩浆海时代后期,月球上曾经存在很多质量比较轻而且流动着的熔岩,这些熔岩在飘往月球表面的时候留下了很多放射性元素。这些元素衰变后散发大量的热让月球内核以及周围的物质和月球表面形成了对流,对流产生感应电流,从而产生了月球磁场,随着放射性元素的衰竭,月球内核逐渐冷却下来,磁场也就跟着消失了。

事实上,目前对于月球“发电机”的形成和演变机制尚无定论。新近的研究认为,早期的月球轨道更加接近地球,导致月球内核液体出现潮汐力矩扰动,类似于地球液态核的运行方式,产生了为磁场提供动力的发电机效应。之后地球和月球之间的距离不断增加,潮汐力矩扰动减弱,核结晶的驱动过程可能变得更加显著。

“在这个过程中,月球中心含铁镍的固体内核逐渐形成,并与周边黏性液体物质存在不同步的转动搅拌产生了磁场。当月球内核完全结晶形成而脱离外部物质,驱动磁场的‘内部发电机’就停止了工作。”平劲松介绍道。

月球磁场里藏着哪些线索

随着研究的逐渐深入,人们对月球磁场的认识也在不断刷新。在了解磁场强度的同时,科学家正在尝试使用阿波罗号获取的月球岩石样本测量远古时期月球磁场的方向,从而构建出月球磁场的原始方位。

除了加深对月球磁场本身的了解以外,相关探测研究还将有助于回答哪些科学问题?

在平劲松看来,对月球磁场特性的研究不仅可以帮助人们了解认识月球的演化历史和过程,还能借此举一反三,为研究其他类地行星如何在演化过程中失去了磁场,以及未来地球磁场的走向提供线索。

不只是月球,太阳系内的火星和金星也没有磁场。通过对火星磁化陨石的定年,科学家认为火星发电机作用大约在39亿年前就已经停止,而其动力来源、产生的磁场形态与消失原因,目前还没有定论。

金星与地球大小相近,和地球的距离也相对比较近。他俩还有很多其他相似的地方,因此有时候被称为“孪生”星球。但两颗行星的大气层和磁场却截然不同。大家都很好奇,金星为什么没有磁场,“转得慢”或许是原因之一。

如果说火星、金星还相对遥远。把目光拉近一些,我们身处的地球是否有一天也会失去磁场的庇护呢?有研究表明,近100年来,地球的磁场正在渐渐削弱。地球磁场未来将如何演变,无疑关乎着人类的未来。

“事实上,这也正是比较行星学的价值所在。通过对比月球、火星、金星和地球之间的差异,可以对地球的演化和宜居环境的构成有更多的了解,进而认知生命的起源和人类未来的命运。”平劲松指出。

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