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撰文|Kevin Stacey

翻譯|魏書豪

審校|王昱

1968年至1972年，在美國宇航局的阿波羅計劃期間帶回地球的岩石提供了大量關於月球歷史的信息，但也帶來了一個未解之迷。分析顯示，一些岩石似乎是在強磁場存在的情況下形成的，這種磁場的強度可與地球媲美。但目前還不清楚，這個月球大小的天體是如何產生如此強的磁場的。

日前，由布朗大學地球科學家主導的研究爲月球的磁場之謎提出了一種新的解釋。這項發表在《自然·天文學》上的研究表明，沉入月幔的巨大岩層可能引發了內部對流，從而產生磁場。研究人員說，在月球歷史的最初十億年裏，這種過程可能產生了間歇性的強磁場。

布朗大學地球、環境和行星科學助理教授Alexander Evans說：“我們對星球核心產生磁場方式的所有認知都表明，月球大小的天體應該無法產生像地球那樣強的磁場，”他與斯坦福大學的Sonia Tikoo共同完成了這項研究。“但是，與其考慮如何在數十億年內連續提供強大的磁場，也許有一種方法可以間歇性地獲得高強度的磁場。我們的模型展示了這是如何發生的，這與我們對月球內部的瞭解是一致的。”

星球通過所謂的“核心發電機”產生磁場。平緩的熱流會使星球核心熔融金屬對流。不斷攪動的導電材料是磁場產生的原因。這就是地球磁場的形成方式，它保護地球表面免受太陽危險的輻射。

如今，月球缺乏磁場，模型表明，月核可能太小，缺乏對流力，無法產生持續的強磁場。爲了讓月核產生強烈的對流攪動，它需要散發大量的熱量。Evans說，在月球早期，圍繞月核的月幔並不比地核本身冷多少。月核的熱量無處可去，所以月核中沒有多少對流。但這項新的研究顯示了下沉的岩石是如何提供間歇性增強的對流。

這些岩石在月球形成的幾百萬年後就開始下沉了。人們認爲早期月球被熔岩海洋所覆蓋。隨着廣闊的岩漿海洋開始冷卻和凝固，比液態岩漿密度更大的橄欖石和輝石等礦物沉入底部，而像斜長石等密度較低的礦物則漂浮形成月殼。剩餘的液態岩漿富含鈦以及釷、鈾和鉀等發熱元素，因此需要更長的時間才能凝固。當鈦層最終在月殼下方結晶時，它比其下方早期凝固的礦物密度更大。隨着時間的推移，鈦地層從下面密度較低的地幔岩石中下沉，這一過程被稱爲重力翻轉。

在這項新的研究中，Evans和Tikoo模擬了這些鈦形成物下沉的過程，以及它們最終到達月球核心時可能產生的影響。該分析基於月球目前的成分和估算出的地幔粘度，表明這些地層可能會分裂成直徑爲60公里的“小塊”，並在大約10億年的時間裏間歇性下沉。

研究人員發現，當這些小塊最終到達底部時，它們會對月球的核心發電機帶來很大的震動。由於位於月球地殼下方，鈦層的溫度相對較低，遠低於核心的約2000至2100攝氏度的溫度。當冷卻的小塊下沉後與熱核接觸時，溫差巨大，會驅動覈對流增加，足以使月球表面的磁場與地球磁場一樣強，甚至更強。

“你可以把這個過程想象成一滴水打在一個熱煎鍋上，” Evans說。“一些非常冷的東西接觸到月核，突然釋放大量熱量。這導致地核變得不穩定，從而產生這些間歇性的強磁場。”

研究人員說，在月球存在的最初十億年裏，可能有多達100次這樣的冷卻小塊的下沉情況，每一次都可能產生持續一個世紀左右的強大磁場。

Evans說，間歇性磁模型不僅解釋了阿波羅岩石樣本中發現的磁場強度，而且還解釋了阿波羅樣品磁場信號差異很大的事實——有些具有強磁特徵，而另一些沒有。

“這個模型能夠解釋我們在阿波羅樣本中看到的磁場強度和多變性——這是其他模型無法做到的，” Evans說。“這也給了我們一些關於這種鈦材料形成的時間範圍，讓我們對月球的早期演化有了更好的瞭解。”

Evans說，這個想法也是值得測試的。這意味着月球上應該存在一個被這些高強度磁場事件打斷的弱磁場環境。這在阿波羅岩石中顯而易見。Evans說，雖然阿波羅樣品中的強磁信號非常突出，但從來沒有人真正尋找過較弱的磁場信號。

這些弱信號和強信號強力支持了這種新猜想，最終可以終結月球的磁場之謎。

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https：//phys.org/news/2022-01-explanation-moon-half-century-magnetic-mystery.html