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月球內部仍“溫暖”
2014-07-31| 【 【打印】【關閉】

  近日,國家天文台研究人員參加的,以來自中國地質大學(武漢)、武漢大學、國家天文台、日本國立天文台等科研機構的研究者爲核心的一個國際合作研究小組,使用包括“嫦娥-1”號在內的探月數據對月球動力學形狀的變化進行了精密測量,並借助對理論和實際估算,證認了在月球深處存在著超低粘性的半流體層,而且地球引力一直在對這個半流體層産生著很強的潮汐加熱過程。這些事實表明,月球的中心至今仍然沒有冷卻變硬,並且由于地球對月球的影響,月球中心至今還在被持續潮汐加熱中。本研究也爲對從地球和月球形成以來,如何在相互影響之下演化至今這一問題重新思考提供了契機。這項研究的成果已于2014727日網絡在線發表在《自然:地球科學》雜志上。 

  爲了探明行星與衛星的形成和演化,盡可能詳細了解天體內部構造和熱狀態是非常必要的。怎樣做才能了解這些遙遠天體的內部構造呢?事實上,通過詳細研究外部動力引起的天體形變,可以獲得關于天體內部構造和狀態的線索。天體由于其他天體的引力影響産生的形狀變化稱爲潮汐。例如,地球的海洋潮汐漲落,是月球和太陽的引力引起的。潮汐引起的固體天體形變程度,與其內部構造,特別是內部的硬度息息相關。反過來說,通過研究固體天體形變的狀況,可以探索肉眼看不到的固體天體內部的情況。月球也不例外,通過潮汐力引起的月球形狀變化可以探測月球內部構造。形狀變化可以通過多種測地觀測來獲得。然而,迄今爲止提出的月球內部構造模型尚不能解釋已有月球探測獲得的精密月球形狀變化。 

  該研究小組著眼于月球深部構,對怎樣的月球內部構造能與觀測得到的月球動力學形變大小相對應進行了探究說明和理論分析、計算研究。早期研究者借助使用阿波羅計劃得到的月球地震觀測數據,研究者們推測出月球的內部大致分爲由金屬構成的被稱作“月核”的內部,和由岩石構成的被稱作“月幔”的外部兩部分構成。研究小組發現,若假定月幔最下部有超低粘性的軟流層存在的話,觀測到的潮汐引起的月球形變就可以得到很好的解釋。過去的研究曾表明,月幔最深處有一部分岩石可能存在熔融狀態。由于部分熔融的岩石是軟的,故本研究的結果支持了上述假說。通過本研究第一次從觀測結果和理論計算得出月幔最深部是軟的這一結論。 

月球內部結構剖面分布特征

  研究小組進一步發現了月幔最深處低粘性流體層中潮汐能量有效地引起發熱。過去的研究雖然也暗示了伴隨潮汐變形産生的能量的一部分引起了月球內部的熱變化,但是該研究小組發現這一現象並不是均一的發生在月球內部,而是集中發生在上述超低粘性的軟流層中。這一發現還表明,月幔最深處存在高效發熱的軟流層包裹著月核,即使是現在也在持續給月核加熱,以往更是如此。 

  关于本研究的展望,该国际合作研究小组的负责人、中國科學院外籍青年科学家、中国地质大学(武汉)博士后研究員原田雄司博士表示:“我们的研究结果带来了新的疑问。例如,月幔的底部是如何长期维持着柔软的状态这样的问题。为了探明这些新的问题,后续会继续致力于更详细地研究月幔内部构造和发热机制。此外,低粘性流体层中的潮汐能量产生的热能的变化,对月球相对地球运动方向和月球的冷却方式等方面有着怎样的影响等问题也值得关注。这些问题的探明,对加深月球的演化的理解有重要帮助。” 

  研究小组成员之一、国家天文台平劲松研究員就本研究的意义认为:“尽管月球比地球和火星冷却速度快,甚至月球上成规模的火成活动已经停止,然而本文的研究结果和其他一些发生在月球上的活动,如深部月震和月球自转不均匀变化等,有力地支持了月球仍然活着这一观点。并且对于月球而言,来自地球和太阳的潮汐作用也许是主导目前月球内部动力学过程的关键因素。” 

  本文的研究成果在以下的論文中出版。http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2211.htmlStrong tidal heating in an ultra-low viscosity zone at the core-mantle boundary, Nature Geoscience. Published online 27 July 2014.  

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