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新研究揭示了月球最深处的潮汐加热

2018-05-17
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在一项新发表的研究中,科学家发现,月球内部有一层非常柔软的层,地球的重力有效地在层中产生热量。 /

由中国地质大学行星科学研究所的Yuji Harada博士领导的一个国际研究小组发现,月球内部有一层极其柔软的层,地球的重力在层内有效地产生热量。这些结果是通过比较由Kaguya(SELENE,Selenological and Engineering Explorer)精确测量的月球变形和其他具有理论计算结果的探测器得出的。这些发现表明,月球的内部尚未冷却和硬化,并且它仍然因地球对月球的影响而变暖。这项研究提供了一个重新考虑地球和月球从出生到现在如何通过相互影响发展的机会。

在阐明天体如行星或天然卫星如何诞生和发展时,有必要尽可能精确地了解其内部结构和热状态。我们怎么能知道远离我们的天体的内部结构?我们可以通过彻底调查由于外力导致其形状如何变化来了解其内部结构和状态的线索。被另一个物体的重力改变的天体的形状被称为潮汐。例如,地球上的海潮是由月球与太阳以及地球之间的引力引起的潮汐现象。海水变形大,容易观察到其位移。天体可以通过潮汐力变形多少,这样就取决于它的内部结构,特别是内部的硬度。相反,这意味着通过观察变形程度,我们可以了解内部情况,通常肉眼不会直接看到内部情况。

月亮也不例外;我们可以从它由地球的潮汐力引起的变形中了解我们的天然卫星的内部。这种变形已经通过几次大地测量观测而被人们所熟知。然而,过去研究得出的月球内部结构模型无法解释上述月球探测计划精确观测到的变形。

因此,研究小组进行了理论计算,以了解月球内部结构的哪种类型导致观测到月球形状的变化。

研究团队关注的是月球深处的结构。在阿波罗计划期间,月球上进行了地震观测。基于地震数据的关于月球内部结构的分析结果之一表明卫星被认为主要由两部分组成:“核心”,由金属组成的内部部分和“地幔”,外部由岩石组成。研究小组发现,如果假设月球幔最深处有一层非常软的层,月球的观测潮汐变形可以得到很好的解释。以前的研究表明,月球幔内最深处的一部分岩石可能会熔化。这一研究结果支持了上述可能性,因为部分熔岩变得更加柔软。这项研究首次证明,根据观测结果与理论计算结果的一致性,月球幔最深部分较软。

此外,研究小组还澄清说,热量是由柔软部分的潮汐有效产生的,在地幔最深。一般来说,通过潮汐变形将储存在天体内的一部分能量变成热量。发热量取决于内部的柔软度。有趣的是,当层的柔软度与团队根据上述计算和观察比较所估计的相当时,层中产生的热量预计接近最大值。这可能不是巧合。相反,该层本身被认为是维持着的,因为软层内部产生的热量与从该层逸出的热量平衡得非常好。而以前的研究也表明,由于潮汐变形,月球内部的一部分能量变为热量,目前的研究表明,这种类型的能量转换并不是在整个月球中均匀发生,而只是在软层中集中发生。研究小组认为,软层现在正在升温月球核心,因为核心似乎被位于地幔最深部分的层所包裹,并有效地产生热量。他们也期望像这样的软层可以有效地让过去的核心变得温暖起来。

关于这项研究的未来展望,研究小组的主要研究员Yuji Harada博士说:“我相信我们的研究成果带来了新的问题。例如,月球底部如何能长时间保持较软的状态?为了回答这个问题,我们想详细研究月球内部的结构和发热机制。此外,另一个问题出现了:软层中潮汐能量转换成热能如何影响月球相对于地球的运动以及月球的冷却?我们也想解决这些问题,以便我们彻底了解月球是如何诞生和发展的。“

另一位研究人员,日本宇宙航空研究开发机构空间和航空科学研究所的春山纯一教授提到了这项研究的意义,他说:“像月球这样的小天体比像地球这样的大天体冷却得更快。事实上,我们曾认为月球上的火山活动已经停止。因此,即使在更深的地方,月亮也被认为是酷酷和坚硬的。然而,这项研究告诉我们,月球还没有冷却和硬化,但仍然是温暖的。这甚至意味着我们必须重新考虑这个问题:地球和月球自诞生以来如何相互影响?这意味着这项研究不仅向我们展示了月球深部内部的实际状态,而且为我们了解包括地球和月球在内的系统历史提供了线索。“

出版物:Yuji Harada等人,“在月球核心 - 幔边界的超低粘度区的强潮汐加热”,Nature Geoscience 7,569-572(2014); DOI:10.1038 / ngeo2211

来源:日本国立天文台

图片:NOAH