持续半个世纪的月岩磁场之谜,即将被破解?

2022-04-05 09:50 来源:环球科学 原文链接:点击获取

图片来源:pixabay

撰文|Kevin Stacey

翻译|魏书豪

审校|王昱

1968年至1972年,在美国宇航局的阿波罗计划期间带回地球的岩石提供了大量关于月球历史的信息,但也带来了一个未解之迷。分析显示,一些岩石似乎是在强磁场存在的情况下形成的,这种磁场的强度可与地球媲美。但目前还不清楚,这个月球大小的天体是如何产生如此强的磁场的。

日前,由布朗大学地球科学家主导的研究为月球的磁场之谜提出了一种新的解释。这项发表在《自然·天文学》上的研究表明,沉入月幔的巨大岩层可能引发了内部对流,从而产生磁场。研究人员说,在月球历史的最初十亿年里,这种过程可能产生了间歇性的强磁场

布朗大学地球、环境和行星科学助理教授Alexander Evans说:“我们对星球核心产生磁场方式的所有认知都表明,月球大小的天体应该无法产生像地球那样强的磁场,”他与斯坦福大学的Sonia Tikoo共同完成了这项研究。“但是,与其考虑如何在数十亿年内连续提供强大的磁场,也许有一种方法可以间歇性地获得高强度的磁场。我们的模型展示了这是如何发生的,这与我们对月球内部的了解是一致的。”

星球通过所谓的“核心发电机”产生磁场。平缓的热流会使星球核心熔融金属对流。不断搅动的导电材料是磁场产生的原因。这就是地球磁场的形成方式,它保护地球表面免受太阳危险的辐射。

如今,月球缺乏磁场,模型表明,月核可能太小,缺乏对流力,无法产生持续的强磁场。为了让月核产生强烈的对流搅动,它需要散发大量的热量。Evans说,在月球早期,围绕月核的月幔并不比地核本身冷多少。月核的热量无处可去,所以月核中没有多少对流。但这项新的研究显示了下沉的岩石是如何提供间歇性增强的对流。

这些岩石在月球形成的几百万年后就开始下沉了。人们认为早期月球被熔岩海洋所覆盖。随着广阔的岩浆海洋开始冷却和凝固,比液态岩浆密度更大的橄榄石和辉石等矿物沉入底部,而像斜长石等密度较低的矿物则漂浮形成月壳。剩余的液态岩浆富含钛以及钍、铀和钾等发热元素,因此需要更长的时间才能凝固。当钛层最终在月壳下方结晶时,它比其下方早期凝固的矿物密度更大。随着时间的推移,钛地层从下面密度较低的地幔岩石中下沉,这一过程被称为重力翻转。

在这项新的研究中,Evans和Tikoo模拟了这些钛形成物下沉的过程,以及它们最终到达月球核心时可能产生的影响。该分析基于月球目前的成分和估算出的地幔粘度,表明这些地层可能会分裂成直径为60公里的“小块”,并在大约10亿年的时间里间歇性下沉

研究人员发现,当这些小块最终到达底部时,它们会对月球的核心发电机带来很大的震动。由于位于月球地壳下方,钛层的温度相对较低,远低于核心的约2000至2100摄氏度的温度。当冷却的小块下沉后与热核接触时,温差巨大,会驱动核对流增加,足以使月球表面的磁场与地球磁场一样强,甚至更强

“你可以把这个过程想象成一滴水打在一个热煎锅上,” Evans说。“一些非常冷的东西接触到月核,突然释放大量热量。这导致地核变得不稳定,从而产生这些间歇性的强磁场。”

研究人员说,在月球存在的最初十亿年里,可能有多达100次这样的冷却小块的下沉情况,每一次都可能产生持续一个世纪左右的强大磁场

Evans说,间歇性磁模型不仅解释了阿波罗岩石样本中发现的磁场强度,而且还解释了阿波罗样品磁场信号差异很大的事实——有些具有强磁特征,而另一些没有。

“这个模型能够解释我们在阿波罗样本中看到的磁场强度和多变性——这是其他模型无法做到的,” Evans说。“这也给了我们一些关于这种钛材料形成的时间范围,让我们对月球的早期演化有了更好的了解。”

Evans说,这个想法也是值得测试的。这意味着月球上应该存在一个被这些高强度磁场事件打断的弱磁场环境。这在阿波罗岩石中显而易见。Evans说,虽然阿波罗样品中的强磁信号非常突出,但从来没有人真正寻找过较弱的磁场信号。

这些弱信号和强信号强力支持了这种新猜想,最终可以终结月球的磁场之谜。

原文链接:

https://phys.org/news/2022-01-explanation-moon-half-century-magnetic-mystery.html

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