科学家对月球的磁力之谜提出了一个新解释

1968年至1972年的NASA阿波罗计划期间返回地球的岩石提供了大量关于月球历史的信息,但它们也是一个持久之谜的来源。对这些岩石的分析显示,一些岩石似乎是在强磁场的存在下形成的--一个跟地球的磁场强度相当的磁场。但不清楚一个月球大小的天体是如何产生那么强的磁场的。

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现在,由布朗大学地质科学家领导的研究为月球的磁性之谜提出了一个新的解释。这项发表在《Nature Astronomy》上的研究表明,通过月球地幔下沉的巨大岩石构造可能产生了那种产生强磁场的内部对流。研究人员称,这些过程可能在月球历史的头十亿年里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说道:“我们对行星核心如何产生磁场的一切思考告诉我们,像月球这样大小的天体不应该能产生像地球一样强的磁场。但与其考虑如何在数十亿年内持续为一个强磁场提供动力,也许有一种方法可以间歇性地获得高强度的磁场。我们的模型显示了这种情况如何发生,它与我们对月球内部的了解是一致的。”他跟斯坦福大学的Sonia Tikoo同为这项研究的论文作者。

行星体通过所谓的核心动力装置产生磁场。缓慢消散的热量导致行星核心中熔融金属的对流。导电材料的不断搅动是产生磁场的原因。这就是地球的磁场--它保护地球表面免受太阳最危险的辐射--的形成过程。

然而现在的月球缺乏磁场,其核心的模型表明,它可能太小了且缺乏对流力,无法产生一个持续的强磁场。为了使一个核心有一个强大的对流搅动,它需要耗散大量的热量。Evans称,在早期月球的情况下,围绕地核的地幔并不比地核本身冷多少。因为地核的热量没有地方可去,所以地核中没有多少对流。但这项新研究显示,下沉的岩石如何提供了间歇性的对流动力。

这些下沉的石头的故事始于月球形成后的几百万年。在其历史的早期,月球被认为是被熔岩的海洋所覆盖。随着巨大的岩浆海洋开始冷却和凝固,橄榄石和辉石等比液态岩浆密度大的矿物沉到了底部,而正长岩等密度较小的矿物则漂浮起来,形成了地壳。剩余的液态岩浆富含钛以及钍、铀和钾等产热元素,因此它需要更长的时间来凝固。当这个钛层最终在地壳下方结晶时,它的密度比它下面早期凝固的矿物要大。随着时间的推移,钛层通过下面密度较小的地幔岩石下沉,这一过程被称为重力倾覆。

在这项新研究中,埃文斯和Tikoo模拟了这些钛形成物如何下沉的动态过程以及它们最终到达月球核心时可能产生的影响。基于对月球目前的组成和估计的地幔粘度的分析表明,这些形成物可能会分成直径为60公里的小块并在约10亿年的时间里间歇性地下沉。

研究人员发现,当这些圆球最终触底时,它们会给月球的核心动力带来巨大的冲击。由于栖息在月壳之下,这些钛形成物的温度相对较低--远远低于月核的估计温度,即华氏2600至3800度之间。当冷却的斑块在下沉后跟热的核心接触时,温度的不匹配将推动核心对流的增加--足以推动月球表面的磁场,其强度甚至比地球的磁场还要强。

Evans称:“你可以把它想成有点像一滴水碰到了一个热锅。你有一个非常冷的东西接触到核心,突然间大量的热量就会涌出。这导致核心的搅动增加,这给你提供了这些间歇性的强磁场。”

研究人员指出,在月球存在的头十亿年里,可能有多达100次这样的下沉事件,而每一次都可能产生一个持续一个世纪左右的强磁场。

Evans表示,间歇性磁性模型不仅解释了在阿波罗岩石样本中发现的磁性特征的强度,而且还解释了磁性特征在阿波罗系列中差异很大的事实--一些有强烈的磁性特征,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强度和变化性--这是其他模型无法做到的。它还为我们提供了一些关于这种钛材料创始的时间限制,这使我们对月球的早期演变有了更好的了解。”

另外,他还表示,这个想法也是相当可测试的。它意味着月球上应该有一个弱磁背景,被这些高强度的事件所打断。这在阿波罗系列中应该是很明显的。Evans称,虽然阿波罗样本中的强磁性特征像一个大拇指一样突出,但较弱的特征却没有得到关注。

那些弱信号和强信号的存在将给这个新想法带来巨大的推动力,这可能最终使月球的磁性之谜得到解决。

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