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月球内部仍“温暖”
2014-07-31| 【 【打印】【关闭】

  近日,国家天文台研究人员参加的,以来自中国地质大学(武汉)、武汉大学、国家天文台、日本国立天文台等科研机构的研究者为核心的一个国际合作研究小组,使用包括“嫦娥-1”号在内的探月数据对月球动力学形状的变化进行了精密测量,并借助对理论和实际估算,证认了在月球深处存在着超低粘性的半流体层,而且地球引力一直在对这个半流体层产生着很强的潮汐加热过程。这些事实表明,月球的中心至今仍然没有冷却变硬,并且由于地球对月球的影响,月球中心至今还在被持续潮汐加热中。本研究也为对从地球和月球形成以来,如何在相互影响之下演化至今这一问题重新思考提供了契机。这项研究的成果已于2014727日网络在线发表在《自然:地球科学》杂志上。 

  为了探明行星与卫星的形成和演化,尽可能详细了解天体内部构造和热状态是非常必要的。怎样做才能了解这些遥远天体的内部构造呢?事实上,通过详细研究外部动力引起的天体形变,可以获得关于天体内部构造和状态的线索。天体由于其他天体的引力影响产生的形状变化称为潮汐。例如,地球的海洋潮汐涨落,是月球和太阳的引力引起的。潮汐引起的固体天体形变程度,与其内部构造,特别是内部的硬度息息相关。反过来说,通过研究固体天体形变的状况,可以探索肉眼看不到的固体天体内部的情况。月球也不例外,通过潮汐力引起的月球形状变化可以探测月球内部构造。形状变化可以通过多种测地观测来获得。然而,迄今为止提出的月球内部构造模型尚不能解释已有月球探测获得的精密月球形状变化。 

  该研究小组着眼于月球深部构,对怎样的月球内部构造能与观测得到的月球动力学形变大小相对应进行了探究说明和理论分析、计算研究。早期研究者借助使用阿波罗计划得到的月球地震观测数据,研究者们推测出月球的内部大致分为由金属构成的被称作“月核”的内部,和由岩石构成的被称作“月幔”的外部两部分构成。研究小组发现,若假定月幔最下部有超低粘性的软流层存在的话,观测到的潮汐引起的月球形变就可以得到很好的解释。过去的研究曾表明,月幔最深处有一部分岩石可能存在熔融状态。由于部分熔融的岩石是软的,故本研究的结果支持了上述假说。通过本研究第一次从观测结果和理论计算得出月幔最深部是软的这一结论。 

月球内部结构剖面分布特征

  研究小组进一步发现了月幔最深处低粘性流体层中潮汐能量有效地引起发热。过去的研究虽然也暗示了伴随潮汐变形产生的能量的一部分引起了月球内部的热变化,但是该研究小组发现这一现象并不是均一的发生在月球内部,而是集中发生在上述超低粘性的软流层中。这一发现还表明,月幔最深处存在高效发热的软流层包裹着月核,即使是现在也在持续给月核加热,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、中国科学院外籍青年科学家、中国地质大学(武汉)博士后研究员原田雄司博士表示:“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员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论文中出版。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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