遠(yuǎn)古月球磁場(chǎng)去哪兒了 如何探尋古老的月球磁場(chǎng)？

如果有機(jī)會(huì)登上月球，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在那里即使帶上指南針，也找不到北了。這是因?yàn)楝F(xiàn)在的月球幾乎沒(méi)有磁場(chǎng)。

然而，情況并非一直如此。最近一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的研究認(rèn)為，月球曾經(jīng)有過(guò)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，大約在距今15億至10億年的這段時(shí)間里，月球內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”停止了工作，導(dǎo)致其內(nèi)稟磁場(chǎng)逐漸消失。

所謂內(nèi)稟磁場(chǎng)，是指行星內(nèi)部自發(fā)生成、保持和改變的磁場(chǎng)。如此古老且蹤跡難覓的月球磁場(chǎng)，科學(xué)家是如何“追查”到的?月球內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”是如何運(yùn)轉(zhuǎn)和演變的?研究古老的月球磁場(chǎng)能回答哪些科學(xué)問(wèn)題?

如何探尋古老的月球磁場(chǎng)

眾所周知，我們的地球擁有強(qiáng)大的磁場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)侵襲地球時(shí)，由于磁場(chǎng)的阻擋，地球周圍會(huì)形成一個(gè)巨大的“隱形殼體”——磁層，阻擋了絕大部分太陽(yáng)風(fēng)等離子體進(jìn)入地球，這不僅能防止我們的大氣層被太陽(yáng)風(fēng)剝離，也對(duì)地球生物形成了有效的保護(hù)。

磁場(chǎng)的重要性不言而喻。月球是一個(gè)類似地球的固體行星類天體，月球磁場(chǎng)自然也是行星科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)之一。過(guò)去數(shù)十年的探測(cè)和觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今月球整個(gè)月面的平均磁場(chǎng)強(qiáng)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場(chǎng)，要么僅僅存在一個(gè)極端微弱的全球磁場(chǎng)。

同時(shí)，探測(cè)也發(fā)現(xiàn)月球存在著明顯的月殼磁場(chǎng)強(qiáng)度異常分布。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松介紹，探測(cè)和研究月球磁場(chǎng)的方式主要有兩類，一類是通過(guò)繞月衛(wèi)星和著陸器攜帶的磁力儀和電子反射譜儀等設(shè)備探測(cè)月殼現(xiàn)存的剩余磁場(chǎng)空間分布;另一類是對(duì)阿波羅探月計(jì)劃采集的月面巖石樣品進(jìn)行分析，獲得剩余磁場(chǎng)信息和撞擊時(shí)代信息，推斷早期月球磁場(chǎng)的存在和演化特性。

其中，使用巖石樣品研究磁場(chǎng)是地球物理場(chǎng)檢測(cè)分析的經(jīng)典技術(shù)之一，在古地磁研究中也經(jīng)常用到。早在1971年，科學(xué)家們就對(duì)阿波羅11號(hào)采樣得到的兩塊月巖樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室分析，確認(rèn)了月球巖石樣品中存在微弱剩余磁場(chǎng)，并排除了巖石長(zhǎng)期暴露在地球磁場(chǎng)中而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)的可能性。

“月球火成過(guò)程中的噴發(fā)物質(zhì)冷卻凝結(jié)時(shí)，構(gòu)成月球巖石的微粒與當(dāng)時(shí)月球磁場(chǎng)方向保持一致。被凍結(jié)在這些數(shù)十億年的巖石中，保留了當(dāng)時(shí)月球磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向等物理信息。”平勁松解釋道。

月球磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)的特性截然不同，使得月球磁異常的起源成了一個(gè)極重要的、存有爭(zhēng)議的月球科學(xué)問(wèn)題。學(xué)界一般認(rèn)為，繞月衛(wèi)星觀測(cè)到的月殼微弱磁場(chǎng)和月球磁異常源于月殼在一定磁場(chǎng)環(huán)境中的自然剩余磁化，有理由推測(cè)在月球誕生后的演化早期存在類似地球的內(nèi)稟磁場(chǎng)，比如存在一個(gè)早期的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)。

“上面提到的兩類對(duì)月球磁場(chǎng)的探測(cè)研究都推斷認(rèn)為，月球在距今40億年前左右，出現(xiàn)過(guò)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)。”平勁松指出。

月球內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”怎么運(yùn)轉(zhuǎn)演變

發(fā)電機(jī)理論，是解釋天體磁場(chǎng)成因的假說(shuō)之一。依照該理論，天體內(nèi)核有著溫度很高的液態(tài)金屬物質(zhì)，它們?cè)谘h(huán)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電流，進(jìn)而形成磁場(chǎng)。電流越大，形成的磁場(chǎng)就越強(qiáng)。

“發(fā)電機(jī)機(jī)制是行星產(chǎn)生磁場(chǎng)的關(guān)鍵，

月球?yàn)榭茖W(xué)家提供了探索中等尺度類地行星天體發(fā)電機(jī)演化和壽命的絕佳機(jī)會(huì)。”平勁松指出。

有研究認(rèn)為，月球的首次發(fā)電機(jī)效應(yīng)可能在40億年前產(chǎn)生了強(qiáng)大的磁場(chǎng)。在距今約42.5億到35.6億年間，月球表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度在20—110微特斯拉之間，最大強(qiáng)度約為地球當(dāng)前磁場(chǎng)強(qiáng)度的兩倍。由此可見(jiàn)，月球內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”一度很強(qiáng)大，其壽命也相當(dāng)長(zhǎng)。

如此強(qiáng)大的“發(fā)電機(jī)”是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的?平勁松解釋道，月球早期的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)類似地球的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)，是含有金屬的液態(tài)巖漿核在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電流的產(chǎn)物，月球磁場(chǎng)對(duì)保護(hù)月面免受太陽(yáng)風(fēng)侵襲起到過(guò)重要的作用。

在月球早期歷史中，強(qiáng)大磁場(chǎng)可以保護(hù)月球表面不受太陽(yáng)風(fēng)的影響，阻止表面被快速風(fēng)化，同時(shí)避免月球土壤中包含大量來(lái)自太陽(yáng)氣體的成分。在這之后，月球磁場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始減弱，大約在31.9億年前時(shí)已經(jīng)下降了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

對(duì)月球“發(fā)電機(jī)”的成因，還有另一種推測(cè)。有行星科學(xué)家認(rèn)為，在巖漿海時(shí)代后期，月球上曾經(jīng)存在很多質(zhì)量比較輕而且流動(dòng)著的熔巖，這些熔巖在飄往月球表面的時(shí)候留下了很多放射性元素。這些元素衰變后散發(fā)大量的熱讓月球內(nèi)核以及周圍的物質(zhì)和月球表面形成了對(duì)流，對(duì)流產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生了月球磁場(chǎng)，隨著放射性元素的衰竭，月球內(nèi)核逐漸冷卻下來(lái)，磁場(chǎng)也就跟著消失了。

事實(shí)上，目前對(duì)于月球“發(fā)電機(jī)”的形成和演變機(jī)制尚無(wú)定論。新近的研究認(rèn)為，早期的月球軌道更加接近地球，導(dǎo)致月球內(nèi)核液體出現(xiàn)潮汐力矩?cái)_動(dòng)，類似于地球液態(tài)核的運(yùn)行方式，產(chǎn)生了為磁場(chǎng)提供動(dòng)力的發(fā)電機(jī)效應(yīng)。之后地球和月球之間的距離不斷增加，潮汐力矩?cái)_動(dòng)減弱，核結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)過(guò)程可能變得更加顯著。

“在這個(gè)過(guò)程中，月球中心含鐵鎳的固體內(nèi)核逐漸形成，并與周邊黏性液體物質(zhì)存在不同步的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌產(chǎn)生了磁場(chǎng)。當(dāng)月球內(nèi)核完全結(jié)晶形成而脫離外部物質(zhì)，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的‘內(nèi)部發(fā)電機(jī)’就停止了工作。”平勁松介紹道。

月球磁場(chǎng)里藏著哪些線索

隨著研究的逐漸深入，人們對(duì)月球磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)也在不斷刷新。在了解磁場(chǎng)強(qiáng)度的同時(shí)，科學(xué)家正在嘗試使用阿波羅號(hào)獲取的月球巖石樣本測(cè)量遠(yuǎn)古時(shí)期月球磁場(chǎng)的方向，從而構(gòu)建出月球磁場(chǎng)的原始方位。

除了加深對(duì)月球磁場(chǎng)本身的了解以外，相關(guān)探測(cè)研究還將有助于回答哪些科學(xué)問(wèn)題?

在平勁松看來(lái)，對(duì)月球磁場(chǎng)特性的研究不僅可以幫助人們了解認(rèn)識(shí)月球的演化歷史和過(guò)程，還能借此舉一反三，為研究其他類地行星如何在演化過(guò)程中失去了磁場(chǎng)，以及未來(lái)地球磁場(chǎng)的走向提供線索。

不只是月球，太陽(yáng)系內(nèi)的火星和金星也沒(méi)有磁場(chǎng)。通過(guò)對(duì)火星磁化隕石的定年，科學(xué)家認(rèn)為火星發(fā)電機(jī)作用大約在39億年前就已經(jīng)停止，而其動(dòng)力來(lái)源、產(chǎn)生的磁場(chǎng)形態(tài)與消失原因，目前還沒(méi)有定論。

金星與地球大小相近，和地球的距離也相對(duì)比較近。他倆還有很多其他相似的地方，因此有時(shí)候被稱為“孿生”星球。但兩顆行星的大氣層和磁場(chǎng)卻截然不同。大家都很好奇，金星為什么沒(méi)有磁場(chǎng)，“轉(zhuǎn)得慢”或許是原因之一。

如果說(shuō)火星、金星還相對(duì)遙遠(yuǎn)。把目光拉近一些，我們身處的地球是否有一天也會(huì)失去磁場(chǎng)的庇護(hù)呢?有研究表明，近100年來(lái)，地球的磁場(chǎng)正在漸漸削弱。地球磁場(chǎng)未來(lái)將如何演變，無(wú)疑關(guān)乎著人類的未來(lái)。

“事實(shí)上，這也正是比較行星學(xué)的價(jià)值所在。通過(guò)對(duì)比月球、火星、金星和地球之間的差異，可以對(duì)地球的演化和宜居環(huán)境的構(gòu)成有更多的了解，進(jìn)而認(rèn)知生命的起源和人類未來(lái)的命運(yùn)。”平勁松指出。記者唐婷

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