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婵娟之谜:月球的起源与演化 精选

已有 1424 次阅读 2017-10-11 08:55 |系统分类:科研笔记

近半个世纪以来,月球的飞船探测和研究新成果纷至沓来,令人惊诧,激励有志趣的青少年去深入探索和开辟月球“新大陆”.人们与时俱进,关注月球的新知识,提高科学文化素养.然而,月球的新文献日益增多,又散布于多种网络期刊,笔者条件所限,科海拾贝,即使是颇费工夫所选编的前述资料也很繁杂,这里概要总结月球起源演化简史,并做些简单的讨论.


月球的起源

基于有关的观测资料和理论研究,建立了行星形成的“标准”模型,可以概述如下.太阳系起源于4568亿年前的原始(太阳)星云,它由气体和尘埃物质组成,有自转和一定的角动量,这些物质在自吸引下向中心降落,聚集形成中心的太阳及其绕转的星云盘,盘中凝集的固态颗粒(包括尘埃和冰)成为形成行星的主要材料,它们集聚为众多星子,星子碰撞结合而增长,少数大星子成为行星胎.大星子,尤其行星胎的引力场更强,吸引经过其附近的星子陨落(称为“吸积”过程)而更快增长.在离太阳近的星云盘内区,主要是尘埃物质集聚形成星子、行星胎和类地行星.往外,“雪线”外的区域,又有凝聚的冰物质参与星子和行星胎的形成过程,很快形成很大的类木行星的星核,它们的引力场更强,还吸积大量气体而成为“巨行星”.由于它们跟星云盘的相互作用而发生轨道迁移,尤其是最大的木星的引力摄动较远的星子及行星胎的运行,使其中有些进入内区而影响类地行星的形成过程,另些逃到太阳系外部.

一个多世纪以来,虽然科学家进行了月球起源的很多探讨,先后提出多种月球起源假说,但大多经受不了观测事实或理论的检验而被舍弃.基于行星形成“标准”模型和月球起源的资料(质量、角动量、轨道、成分、年龄等)约束,现代流行的是巨撞击假说,并地其进行了一系列计算机模拟,得出的一些成功的主要结果概要如下.大约45亿年前(最新资料为44.5亿~44亿年前),约在太阳系开始形成后3000~5000年,在类地行星区的最大行星胎基本上成长为原地球时,由于那时木星离太阳较近,其引力摄动使一个较大的行星胎“忒伊亚”(Theia)跟原地球发生巨撞击,当时两者都已发生重力分异而形成了星核和星幔.撞击不是中心直对的正撞,而是斜撞,忒伊亚的星核沉入地核,撞击抛出忒伊亚的少部分星幔和部分地幔的物质,形成绕地球转动的盘,盘中洛希限内的物质又有落到地球上,而洛希限外的大部分物质在十几天很快吸积形成月球.起初,月球离地球较近,地球与月球的引力相互作用而发生角动量转移,太阳的引力摄动也起一定作用,导致月球的轨道发生变化,逐渐远离地球,而地球自转减慢.近年的新模拟得到更宽的可能巨撞击情况,在符合约束的误差范围内,得到了成功结果的可能范围,但还不能唯一确定,有待于更深入研究来选择更符合约束的具体结果.

月球存在显著的不对称性,正面陨击盆地和月海多,而背面则以古老高地为主,而且两半球的月幔也有相应的成分差别.近年提出的新模拟中,有的巨撞击模拟也形成较小的第二个月球,它随后又撞击月球,或者地球还遭受规模较小的另一次巨撞击,结果导致月球的不对称性,其可能性还需进一步研究.

月球形成初期:岩浆洋

由于月球吸积形成过程很快,尤其后吸积的物质受到增长的月球强引力,释放的更大引力势能转化为热能而积累(吸积热),使月球外部几百公里的物质发生熔融,成为岩浆洋,更易发生重力分异,重成分下沉到内部,轻成分上浮到表层.随着表层向外空的辐射在5000万~1亿年逐渐冷却,固结为越来越厚的、富铁的低密度斜长石月壳,即观测见到浅色(亮的)初始高地月壳.月壳深处和月幔含更多的较重矿物质,如辉石和橄榄石.同时,月球内部也发生分异,月幔岩石中的铁等重物质分离并下沉,形成月核,早期的熔融或部分熔融的月核可能产生相当强的古磁场.

大陨击与盆地

月球的吸积形成过程不是立即终止的,而是逐渐减弱的,月壳基本形成后,仍受到残余星子的陨击,在月壳上产生陨击坑,破坏初始的月壳,尤其是大星子陨击产生盆地,陨击抛出物覆盖大部分古老的月壳,形成月壤.在此时期,木星轨道向内迁移,其引力摄动使小行星区的星子、甚至外区的含冰星子轨道发生很大改变,有很多进入地球和月球的引力范围并发生高速撞击,产生陨击盆地,称为“晚期严重陨击”(LHB)或“终结的月球灾变”.随后,木星轨道向外迁移而大星子的陨击减少,近38亿年以来就没有大规模陨击所产生的盆地了,而只有越来越少的小规模陨击产生一些陨击坑.陨击能量使岩石破碎并熔融为陨击角砾岩.由飞船采回的样品分析得出盆地形成于距今40亿~38亿年期间.由于初期月壳薄和后来的陨击及火山活动改造,缺乏更早陨击盆地的遗迹,因而对晚期严重陨击(LHB)之前的实际陨击情况还有疑义.

火山活动与月海填充

虽然月球表面因为向外空的热辐射损失能量而冷却,但下面还有铀和钍放射性元素长期衰变的能量加热,以及陨击和重力分异过程释放的势能加热,所以下月壳和月幔至少是部分熔融的,形成一些岩浆库.岩浆沿着陨击造成裂隙上涌和喷出,形成火山活动,熔岩流泛滥,填充盆地底部,很快冷凝结晶为玄武岩的月海,也填充一些老陨击坑.不同区域,不同时间,不同深度喷出的岩浆在成分上有些差别,因而它们结晶的玄武岩可以分为富钛、低钛、甚低钛、富铝、富KREEP等几类.以“火喷泉”形式喷发的岩浆滴迅速冷凝,生成大量绿色和橙色的火山玻璃球.

形成盆地的大陨击使月壳变薄并产生裂隙,为大规模火山活动创造了条件,随后在距今38亿到31亿年、乃至更晚,下面的岩浆上涌,断续地发生多次的火山喷发,延续20多亿年甚至更久.随着月球内部的冷却,火山活动逐渐减弱到停止.

近期的演化

近十亿年来,月球的地质活动大为减弱,除了几次较大的陨击形成哥白尼、第谷、开普勒等有醒目辐射纹的陨击坑外,主要是小规模的流星体陨击而剥蚀月球表面,以及宇宙射线、太阳辐射和太阳风的“宇宙风化”改造,在一些地方,风化层可能超过15m,还出现小规模的火山活动迹象和月震.此外,就是近几十年来飞船的造访遗迹,包括宇航员的足迹.

跟地球经历严重的演化而丧失其早期遗迹不同,月球的演化程度较小,保存了很多演化遗迹,尤其是月球形成和早期演化遗迹,为探索地球的形成和早期演化提供重要线索.例如,直到1946年才确认和命名地球上第一个陨击坑———美国的MeteorCrater,即巴林杰陨石坑(theBarringerMeteoriteCrater),由于严重的地质过程破坏了地球上的古老陨击坑,现在识别的地球陨击坑还不到200个.正是从月球以及水星和火星的大量陨击坑和陨击盆地,尤其是古老的陨击坑和陨击盆地,才认识到陨击是类地行星(包括地球)早期的主要地质过程,因而需要修改传统的地质学.地球比月球大且引力场很强,按同样陨击率推算,地球应当有直径20km 以上的陨击坑近2万个.

尽管月球的探测研究已取得丰硕成果,但有些还是比较初步的认识,仍有很多未知的月球情况,以及不少争议和未解之谜,需要进一步探测和研究,尤其是开拓月球、建立月球家园,更需要几代人去努力开拓.




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