推动月球磁场演化的“发电机机制”不只一种?

日期:2020-01-06编辑作者:国际动态

  地球磁场对这颗星球上的生物有多重要?相信这个问题的答案,对于天文爱好者而言一定信手拈来。地球磁场的存在不仅让南北极有了极光(现象),让人类有机会目睹绚丽多彩的等离子体视觉盛宴;更抵挡住了太阳风粒子的侵袭(本质),它们在地球磁场的作用力下偏转之后形成了弓形冲击。

  地球的大气层正是在磁场的保护下,才没有在过去的这几十亿年时间里被太阳风粒子的活动所剥夺。因为,失去磁场的地球,同样也会变成一颗像火星一样干燥而寒冷的星球。长时间以来,科学家们一直都在对月球(地球唯一天然卫星)岩石进行研究,因为所有人都相信月球也曾拥有一个全球性的磁场。

  虽然在数十年之前,关于“月球的形成”分为分裂说、俘获说和同源说三种主要成因假说。但随着人类对月球的了解逐渐深入,而后有了获取更多人一致认可的大撞击说。因为这一理论,不仅解释了地球、月球形成时间上的微弱差异,同时还给予了地球和月球在结构上的相似性,以及组成成分具有差异性的合理解释。

  简而言之,地月系统其实早在大约45亿年前就已然形成,月球是地球和另一颗火星般大小的物体之间发生撞击之后的产物。与此同时,科学家们还以此推测出古老月球也曾拥有过磁场,也就是说月球曾具有磁层作用。但是,月球磁场具体是什么时候出现,又通过怎样的过程逐渐消失,则成为了月球磁场最大的疑问。

  根据现有探测资料来看,现阶段的月球是不具有全球性偶极磁场的。但与此同时,我们又通过对月球岩石样品的分析,确认了其岩石的构成部分中含有磁化组分。这样的发现说明了,在月球在以往的某个演化历程中,它曾拥有过全球性的磁场。

  虽然,人类已在50多年前登陆月球,但短暂的停留和研究时间,并不足以完全解答与月球内部构造有关的诸多疑问,而这些问题又都跟月球曾拥有过的磁场性质有关。月球磁场的存在时间一直在科学界充满争议,而两种主要的观点分别将月球磁场的存在时间定义为:38到32亿年前和40亿到38亿年前。

  当然,虽然我们通过岩石成分的分析,确认了月球可能拥有磁场,但关于磁场存在时间的这两种假说,则主要是建立在理论推测的基础之上。而月球磁场的诞生原因,也在“太阳风和地球磁场的相互作用”,以及“月球突然经历变动导致岩石被磁化后产生剩磁”之间辩论。

  关于月球磁场,科学家们又有了新的研究进展。而这一次的研究结果并不只是证明了月球也曾拥有磁场,其磁场强度更是达到了地球的2倍。并且,月球磁场这长达数十亿年的漫长衰变过程,对于揭示它是如何随着时间的递进而产生动力的机制也提供了帮助。

  既然说到了地球和月球磁场的强弱之别,那么,我们需要清楚现阶段地球的磁场强度大约为50微特拉斯,而大约40亿年前的月球,则大约拥有100微特拉斯强度的磁场。早前,研究人员就已经对25亿年前的月球岩石样本进行了分析,并将月球当时的磁场强度界定为10微特拉斯左右。

  简而言之,我们可以从40亿年前的100微特拉斯,到25亿年前的10微特拉斯推测出:月球磁场在月球诞生后的第4到25亿年时间里减弱了5倍,而全球磁场的彻底消失则大约发生在十亿年前。研究人员更认为,月球内部维系磁场的“发电机”的工作机制并不只有一种,两者之前还存在时间上的先后接替。

  40亿年前的月球拥有现地球两倍的磁场,当时月球内的发电机效应强烈、但寿命也相对较为短暂。这跟当时月球围绕地球运行的轨道更近相符,不管是月幔的摆动,还是其核心内的活动,都会在地球重力的干扰下受到巨大影响。月球内部发电机效应的强弱,随着月球和地球之间距离的逐渐增加而减弱,而在月球25亿年前到大约10亿年前的这段时间,其内部产生微弱磁场的发电机效,应则主要得益于结晶。

  月球磁场从繁荣到消失的过程,科学家们并不认为这是一个循序渐进的自然过程。而是因为月球内部本就存在着两种完全不同的“发电机机制”,它们在不同的时间里承接了各自的任务。简单来说,月球40亿年前的超强磁场靠第一种发电机效应维系,而25亿年之后的微弱磁场则是依靠第二个发电机效应来维系。并且,两者之间对月球磁场的维系是完全性的交接,不曾同时存在于月球内部。

  为什么科学家们一直很难得到年龄小于30亿年的月球岩石?这其实跟月球上也曾普遍存在过的火山活动有关,40亿年前普遍存在的此类月球地质活动早在30亿年前就彻底停止。研究人员之所以能确定月球磁场的存在,以及其磁场强度受限于两种发电机效应,主要是因为他们对十亿年前月球岩石样品(为阿波罗宇航员所获)所进行的研究。

  在对这些特殊岩石进行研究的过程中,科学家们主要进行了三个角度的测试。首先,岩石通过撞击作用从融化到再次凝固的过程实现了磁记录的消除,实现了岩石磁性特征的重建步骤,并通过小罗盘对岩石电子的方向进行了追踪。该过程中的电子随机出现在了各个方向,这说明了岩石应该是在磁场小于0.1维特斯拉的磁场环境中形成。

  接下来,研究人员为了确认这岩石的确拥有十亿年的年龄,便使用了放射测年技术来进行证实(年龄准确无误)。在该研究的最后,科学家们还进行了所谓的热测试,主要目的是为了确认这些岩石能否在撞击的时候保存下良好的磁记录。通过对两个岩石样本因为撞击而产生高温环境的模拟,以及充分冷却过程,研究人员确认了它们可以在经历这样的过程之后记录下曾存在过的磁场信息。

  简而言之,这样的三个实验步骤,先后证实了这些拥有十亿年年龄的月球岩石,只可能产生于磁场强度小于0.1维特拉斯的月球环境之中,这些岩石的年龄的确是十亿岁左右,以及这些岩石会准确记录下其诞生时星球的磁场强度。原来,月球的内核的确在时间的推移下逐渐流逝并结晶,星球内带电流液体的流动因此而减缓速度,而维系磁场的“发电机”更在数十亿年之后停止了运转。

  即便目前人类可探测的宇宙空间相对还比较有限,但天体磁场却广泛而真实的存在于许多天体的空间之中,拆解电机甚至已经从很多星球上彻底消失。除了以上说到的曾经拥有磁场的月球、到至今依然保护着地球生命的行星磁场和太阳系中心天体太阳的磁场,以及一直未揭开谜团的火星和金星磁场,它们的磁场都存在诸多我们尚不了解的谜团。

  虽然,不同天体空间中的磁场可能存在强弱之别,但它们都会随着时间的推移而发生变化。比如,现如今银河系空间中的磁场强度,就仅为地球磁场的几千分之一。而从磁场强度在星球自身的空间分布来说,也并不是完全均匀相等的:

  太阳的磁场分布更具有区域和强弱之别,太阳磁场相对较强的区域都位于大气层中。比如,虽然太阳的内部和日冕处也有磁场分布,但这些区域中的磁场强度却非常微弱,而所谓的普遍磁场(也就是日冕宁静区),其磁场强度也仅为1×10-4到3×10-4特斯拉左右。

  地球的磁场主要由三部分构成,它们分别是磁异常(次生磁场)、外源磁场(与太阳活动有关)和基本磁场(正常场,占比99%以上)。地球磁场的分布情况,存在着作用力最强(两极)和最弱(赤道)的区域,并不是孤立存在的地球的磁场,同时还会受到外界的扰动,尤其是同样拥有磁场的等离子体太阳风。

  不管是对现阶段仍然拥有磁场的天体所进行的相关研究,还是对曾经存在磁场的月球这样的星球进行研究,这都有助于帮我们理解:为什么火星和金星会在其演化过程中丢失自己的磁场,以及地球的磁场又将之后的时间如何变得微弱、乃至彻底消失?磁场,对于一个星球的可居住性而言至关重要,这对于我们了解地球生命可能面临的未来,以及寻找适合生命居住的系外行星而言也都有所助益。返回搜狐,查看更多

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