月核融化：圈层差异旋转的理论研究及其应用

杨冬红^1,2, 杨学祥³

1 吉林大学古生物学与地层学研究中心, 长春 130026

2 吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室，长春 130026

3 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026

月核融化成因：两颗天体彼此间都会产生引力拖拽效应

图1 液态月核

新浪科技讯北京时间2014年8月12日消息，据国外媒体报道，科学家进行的研究发现月球并非一颗毫无生气的大石球，其月核周围可能存在一个炙热的液态层，至今仍非常活跃。如果情况属实，说明月球的活跃程度超过此前的想法，对了解地球的历史也具有重要意义。

太空中的任何两颗天体彼此间都会产生引力拖拽效应。由于没有一条轨道是完美圆形，引力会随着两颗天体之间的距离变化发生改变。这种效应在一些卫星身上表现的非常明显，例如木卫一“艾奥”。木卫一沿着一条椭圆形轨道环绕木星运行，受到木星引力的推拉，火山活动比较活跃。这种效应在地球身上同样非常明显，主要表现为海洋因月球引力出现的潮汐。

鉴于地球的体积达到月球的81倍，月球在环绕地球旋转时也会经受类似的力量。科学家此前就认为这种力可能导致月核部分呈液态，就像地核一样，但一直以来没有人能够证明这一点。现在，中国地质大学行星科学研究所的原田雄司博士领导的一支国际研究小组发现月球内部深处存在一个超软层，这个层产生的力量由地球引力导致。通过比较日本宇宙航空研究开发机构的月球学与工程探测器以及其他探测器获取的月球扭曲数据与理论计算得出的结果，科学家得出这一发现。

研究显示月球内部并未冷却和硬化并且一直因为地球对月球产生的影响加热。研究人员表示这一发现提供了一个重新思索地球和月球如何演化的机会。这两颗星球仍在演化的道路上前进，它们在诞生之后就相互影响。原田雄司表示：“我认为我们的研究发现带来了一系列疑问。例如，月幔底部如何在长期内保持柔软状态？为了回答这个问题，我们需要对地球内部结构进行进一步研究，从细节上了解月球内部的热量产生机制。另一个问题是，潮汐能在这个软层内转化的热能如何影响月球相对于地球的移动以及如何让月球冷却？我们希望解答这些疑问，进而深入了解月球如何诞生和演化。”

研究小组关注的是月球内部结构。在阿波罗探月计划中，宇航员在月表进行地震观测。科学家对与月球内部结构有关的数据进行分析后发现，这颗卫星主要由两部分构成——月核和月幔。月核是月球的内层，由金属构成，月幔是月球的外层，由岩石构成。研究人员发现观测到的月球潮汐形变可以解释月幔最深处是否存在一个超软层。此前进行的研究发现月幔最深处的部分岩石可能熔化。此项研究得出的发现支持了这一结论。

日本宇宙航空研究开发机构航空航天研究所教授春山淳一指出这项研究具有非常重要的意义。他说：“类似月球这样体积较小的天体冷却速度超过地球等体积较大的天体。我们一度认为月球上的火山活动已经停止，因此得出月球已经冷却和硬化的结论，即使在地球最深处也是如此。但这项研究告诉我们月球并没有冷却和硬化，仍处于温暖状态。研究发现意味着我们必须重新思索一系列疑问，例如地球和月球在诞生之后如何相互影响？这项研究不仅让我们意识到月球内部深处的实际状态，同时也为我们提供了一个线索，了解地月系统的历史。”

http://tech.sina.com.cn/d/2014-08-12/09579549363.shtml

我们的研究表明，地球对月球产生的影响加热并非是月球外核液态的唯一原因，重力分异导致月球圈层差异旋转既符合月球的结构特征，又符合月球外核液态化的热状态特征，地球圈层差异旋转的计算模型提供了有力的证据。

重力分异导致地球圈层差异旋转

地球各圈层成分的不同，是重力分异造成的，地球表面的重物质在重力作用下向地心集中的同时，地球动能也向地核集中，加快了内核的自转速度，减慢了地壳和地幔的自转速度，形成了不同圈层旋转速度的差异，其中内核旋转最快，地壳最慢，这就造成了重力分异使地球自转变慢的假象。地震波测量表明，内核每年相对东向旋转约0.4°~1.8°。当核幔角动量交换将动能转变为热能积累在核幔边界时，由于重力分异导致地球转动惯量减少，地球各圈层的平均转速将加快。

模型计算表明，早期均匀地球的初始自转角速度ω₀为4.36×10^-4rad/s，自转动能为9.2×10³⁰J。重力分异使一个均匀自转的地球变为分层差异旋转的地球，由于重力位能降低，位能减少量为2.3×10³¹J，其中1.05×10³¹J转变为地核的动能，1.25×10³¹J转变为热能使地球增温1500℃，分层差异旋转的地球自转动能增加到1.97×10³¹J。通过核幔角动量交换，地球各圈层最终以统一的自转角速度1.2w₀自转，地核输出自转动能1.25×10³¹J，其中，3.85×10³⁰J使地壳和地幔的动能增大，8.66×10³⁰J变为热能积累在核幔边界。这是外核是地球内部唯一的液态圈层的原因。

表1  重力分异2层地球模型

Table 1  Two-layer earth model of gravitationaldifferentiation

表2  重力分异8层地球模型

Table 2  Eight-layer earth model of gravitationaldifferentiation

注：* 表示圈层角动量交换后地球各圈层的统一角速度.

根据表1的计算数据，均匀地球通过重力分异演化为2层不同密度地球，顶层角速度减少为原来的0.9倍，底层角速度增大到原来的4倍；旋转动能由原来的9.2×10³⁰J，增加到12.76×10³⁰J；转动惯量由原来的9.7078×10⁴⁴g·cm²，减少为9.4525×10⁴⁴g·cm²；通过角动量交换，外层加速，内层减速，内外两层以1.0265 w₀的角速度统一旋转，有3.29341×10³⁰J的自转动能变为热能积累在内外圈层的边界。

根据表的计算数据，均匀地球通过重力分异演化为8层不同密度地球，顶层角速度减少为原来的0.602倍，底层角速度增大到原来的27.405倍；旋转动能由原来的9.2×10³⁰J，增加到19.67×10³⁰J；转动惯量由原来的9.7078×10⁴⁴g·cm²，减少为8.11693×10⁴⁴g·cm²；通过角动量交换，外层加速，内层减速，内外两层以1.1949 w₀的角速度统一旋转，有8.65733×10³⁰J的自转动能变为热能积累在核幔边界，这是外核成为地球内部唯一的液态圈层的原因。

比较表2和表3，2层地球变为8层地球，统一角速度由1.0265 w₀变为1.1949w₀；有5.36392×10³⁰J的自转动能变为热能积累在核幔边界。核幔边界是密度增减变化的分界面，是压力增减变化的分界面，是转动惯量增减变化的分界面，是自转动能增减变化的分界面，因此，它既是动能交换的界面，也是热能交换的界面，其物理学意义不容忽视。因为内核的密度最大，接近极限，不可能继续分层，所以8层地球和18层地球模型各项典型数据差别不大，这表明地球重力分异的大规模能量释放过程基本结束。

除了重力分异外，潮汐摩擦使地壳和地幔自转速度减慢，为核幔差异旋转提供新的动力。

月球结构和地球结构的相似性

图2 月球结构示意图（据网上资料）

图3 地球结构示意图（据网上资料）

   根据图1-3的对比，地球分层结构为刚性地壳和地幔、液态外核和刚性内核；月球分层结构为刚性月壳和月幔、液态外核和刚性内核。两者有极其相似的结构，特别是都具有液态外核，因而也应该有相似的成因。

重力分异导致月球圈层差异旋转

著名地球物理学家傅承义教授认为，地球形成初期的密度分布是均匀的，以后由于地球内部生热何加温，导致物质的运动和分异，较重的物质流向地心形成地核，较轻的物质升到地表形成地壳有一个均匀地球演化为一个分层的地球。由于重力位能降低，大约释放出1.3×10³¹J转变为热能使地球增温1500℃。

由于地球自转，理论模型研究和实际测量表明，地球表面的重物质在重力作用下向地心集中的同时，地球动能也向地核集中，加快了内核的自转速度，减慢了地壳和地幔的自转速度，形成了不同圈层旋转速度的差异，其中内核旋转最快，地壳最慢。1996年宋晓东等人在英国自然杂志发表文章指出，地震波测量表明，内核每年相对东向旋转约0.4°~1.8°。

计算表明，地球内外圈层的差异旋转，使核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。圈层角动量使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是外核成为液态的基本原因。

月球有相似于地球的分层结构，因而也有从均匀月球变为分层月球的重力分异过程，在这一过程中，动能和热能向月球核幔边界集中，是外核长期保持液体状态的原因。

重力分异造成的圈层差异旋转特征是，外部圈层转速变慢，内部圈层转速变快。这在太阳较差自转中表现的尤为明显。

太阳较差自转特征：内部自转速度快和赤道自转速度快

图4 太阳不同区域的自转周期

太阳也会自转吗？事实上，太阳是分为不同的区域和层次，每个区域以不同的速度移动。平均而言，太阳每27天绕其轴线自转一圈。

然而，太阳赤道位置的自转速度最快，只需大约24天就能自转一圈，而两极则超过30天。根据NASA，太阳内部的自转速度比外层快。

http://news.qudong.com/article/338441_2.shtml

不只地球，太阳自转速度也在减慢！

太阳存在自转，这一点可以从黑子以及日面上的其他活动客体，如日珥、暗条和谱斑等在日面上的移动，或从太阳东西边缘光谱线的多普勒效应来证实。太阳自转方向与地球自转方向相同，以恒星为参考背景,日面纬度17°处的太阳自转周期是25.38日，称为太阳自转的恒星周期。但早在上个世纪就有天文学家提出太阳自转速率并非一直不变，关于太阳自转减慢的这个说法，通过对其原因和机制的研究，天文学家们认为他们终于可能要解开这个谜团了！

太阳大概平均每月绕自身的轴旋转一次。但是在二十年前，科学家们发现了一个令人困惑的现象，太阳表面的自转速度要比内部的自转速度慢百分之五，这在当时是无法解释的，但是现在通过一项新的研究，我们或许可以找到相关原因。

夏威夷大学（University of Hawaii）天文研究所（Institute for Astronomy）的首席研究员杰夫·库恩（Jeff Kuhn）曾写过：“虽然在接下来的很长一段时间内太阳都不会停止旋转，但是我们发现，太阳辐射一方面直接为地球提供光热资源，另一方面也会如制动器一般使自身旋转逐渐慢下来，这也符合爱因斯坦的狭义相对论。”

太阳属于非固体天体，其自转方式与固体天体的自转方式不同。太阳在自转时不同部位的速度互不相同，比如两极旋转的速度不同于赤道旋转的速度。而旋转的速度主要取决于该部位的纬度以及与太阳中心的距离，这种自转方式也叫作较差自转，一般在大多数非固体的天体中存在，比如星系、恒星、巨型气体行星等等。

当然，这点天文学家们早就知道了，不过至于为什么太阳表面的旋转速度比其内部的旋转速度慢上百分之五，他们还没能搞明白。

为了彻底弄清楚这个谜团，研究小组仔细研究了美国国家航空和宇宙航行局（NASA）太阳动力学观测卫星这三年半以来得到的数据，这个卫星自从2010年来就一直用于观测太阳的各种活动。

而这个卫星的数据主要是通过日震及磁场成像仪得到的，这个仪器在这里是被用来探测在太阳磁场范围内的日震，其可以测量太阳微小的亮暗变化，从而得到整个太阳的长周期日震数据。

研究人员还注意到，在太阳150千米的外层部位，自转速度大幅度下降，他们预测这是由于一种叫做“光子制动”效果。

研究小组预测，这种制动效果类似于所谓的坡印廷-罗伯逊效应（指的是光压使尘粒沿螺旋轨道缓慢落入太阳的一种效应，它起因于质点对辐射的吸收和发射），通过这种效应，太阳辐射将导致原本绕着太阳旋转的尘埃粒子失去角动量，最终旋转速度慢下来。

他们还认为，如果将一个制动器放在太阳的外部区域，也可以产生同样的效果——旋转速度减慢，当然也可能是受到宇宙中其他恒星的影响从而旋转速度减慢。

库恩说：“这种扭矩减缓旋转速度的效果其实是非常微小的，但是太阳目前的寿命长达五十亿年，那么它对三万五千千米外部区域起到的影响则不可以忽略。”

现在最大的问题是我们还不知道太阳自转减慢对太阳表面的磁场究竟有什么影响，而太阳磁场控制着太阳耀斑的爆发，甚至对地球上的无线电远程通讯都有一定的影响。

当然，这也是研究人员希望在未来能有所突破的一方面，即使我们现在还不清楚，但是至少我们终于有一个关于太阳自转减慢的合理解释，已实属不易。

这份研究报告即将在《物理评论快报》（ Physical Review Letters）出版，也可以在arXiv.org阅读全文。

http://news.sznews.com/content/2017-03/07/content_15595607.htm

太阳自转减慢的另一个合理解释就是太阳也可能存在重力分异过程，这一过程的主要特征就是：内部圈层自转变快，外部圈层自转变慢，不同于地球和月球的是，后者进入冷却固化阶段，而前者（太阳）还处于整体熔融状态。

太阳自转减慢的必然结果是太阳扁率不断变小。这一过程的突出特征是：在科里奥利力的作用下，高纬度地区上升西移，自转速度变慢；低纬度地区下降东移，转速变快，符合太阳表层较差自转的特征。

图5 太阳扁率变化导致的不同区域较差自转

参考文献

科学家研究称月核融化：周围存在炙热液态层. 2014年08月12日09:57  新浪科技.

http://tech.sina.com.cn/d/2014-08-12/09579549363.shtml

杨学祥, 陈殿友.地球固体内核快速自转的理论证明和实测证实. 西北地震学报. 1996,18(4):82.

徐道一, 杨正宗, 张勤文等. 天文地质学概论. 北京: 地质出版社, 1983. 38, 181-195, 224.

Xu D Y, Yang Z Z, Zhang Q W, et al. Anintroduction to astrogeology. Beijing:Geological Publishing House (in Chinese), 1983. 38, 181-195, 224.

杨学祥, 陈震, 刘淑琴, 等. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应. 地学前缘, 1997,4(1): 187~193. （Yang X X,Chen Z, Liu S Q, et al. The discovery of fast rotation of the earth’s innercore and orbital effect of global changes (in Chinese). Earth ScienceFrontiers, 1997, 4(1): 187~193）

杨学祥, 陈殿友. 地核的动力作用. 地球物理学进展. 1996,11(1):68-74.（Yang X X,Chen D Y. Action of the earth core (in Chinese). Progress in Geophysics, 1996,11(1): 68~74）.

Song X D, Richards P G. Seismologicalevidence for differential rotation of the Earth’s inner core [J]. Nature, 1966,382: 221-224.

杨学祥, 张玺云. 热幔柱的启动动力. 世界地质, 1996,15(2): 68-74.

Yang X X, Zhang X Y. Staring power ofplumes. Global Geology (in Chinese), 1996, 15(2): 68-74.

杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70 .(YangD H, Yang X X. Study and model on variation of Earth’s Rotation speed. Progress inGeophysics (in Chinese), 2013, 28（1）：58-70.)

杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春: 吉林大学出版社, 1998, 2, 99~104, 196~198（Yang X X, Chen D Y. Geodynamics ofthe Earth’s differential rotation and revolution (in Chinese). Changchun: JilinUniversity Press, 1998, 2, 99~104, 196~198）

杨冬红, 杨学祥, 刘财. 2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温. 地球物理学进展, 2006, 21(3): 1023~1027（Yang D H, Yang X X, Liu C. Globallow temperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) in Indonesia. Progressin Geophysics (in Chinese), 2006, 21(3): 1023~1027）