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魏勇等-GRL:月球背面月壤蘊藏著地磁發電機35億年演化的信息
2020-02-14 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  地磁場是地球生命起源與演化的主要影響因素之一。地磁場由地核“發電機”產生,其起源時間可追溯至30多億年前,甚至可能到42億年前,應不晚于生命起源。地磁場不僅對生物圈有直接的影響,而且對與之耦合的大氣層、水圈等圈層的物質和演化有重要的控制作用。由于磁場可以改變帶電粒子運動路徑,地磁場對生物圈的保護作用可分為兩種:一是阻礙來自太陽和銀河系的高能帶電粒子的撞擊,二是削弱高層大氣帶電粒子的逃逸。第一種保護機制曾在20世紀六七十年代得到廣泛深入的研究,甚至一度普遍認為地磁倒轉是誘發生物大滅絕的主要原因,直到八十年代初提出小行星撞擊假說。第二種保護機制的研究近來受到越來越多的關注,尤其是在火星研究揭示了其發電機停止所造成的大氣逃逸增加可能是其海洋干涸的重要原因后,人們更深刻地意識到地磁場對生物圈的重要性。目前,對地磁發電機演化的研究正嚴重受制于古地磁數據的時間和空間分布。最為突出的是,310億年前之間古強度數據極為稀缺,使得地磁發電機行為在這長達7億年的時間成為一個未解之謎。但是,地球生命演化史上一個最深刻的突變——寒武紀生命大爆發——恰好就發生在這個時間段的中間。地磁發電機在這段時間內是如何演化的?對生物圈演化起了什么作用?要回答這些問題,在古地磁數據變得足夠豐富之前,研究者必須另辟蹊徑,找到其他形式的新信息。 

  中科院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室魏勇研究員、巖石圈演化國家重點實驗室賀懷宇研究員、南京大學惠鶴九教授、中山大學崔峻教授、山東大學史全岐教授等通過多學科交叉研究提出,月球背面月壤可能記錄了地磁場演化的信息,最早可記錄至35億年前,此時月球磁場強度已經顯著衰減。 

  半個多世紀的地球與行星空間探索表明,水星、地球、木星、土星等具有偶極磁場的行星,在時速超過150萬公里的高速太陽風的沖擊下,其磁場會產生一種名為“Dungey Cycle”的等離子體對流現象,把絕大部分試圖逃逸的大氣離子重新送回行星,從而達到削弱逃逸的效果。而金星和火星因發電機在演化早期就已停止,則不具有這種現象。對于地球,“Dungey Cycle”所產生的時速約40萬公里的地向高速流在約6120個地球半徑(1個地球半徑為6371公里)范圍內穩定存在。軌道位于60個地球半徑的月球恰好穿過這一地向高速流區,且每個軌道的穿越時間約為4天(圖1)。在此期間,大氣粒子可以進入月壤顆粒的表層并保存下來。所以,對于給定地質年代,如果月球背面月壤中保存了來自地球大氣的粒子,即可證明當時的地球具有較強的偶極磁場。這一方法應在近35億年較為有效,因為美國Apollo計劃在月球近面采回的樣品表明,在更早的時間里,月球上可能存在很強的磁場,足以阻礙地球大氣粒子對背面月壤的高速沖擊。這一思路還可應用于木星、土星等氣態行星的磁場演化研究,因為其氣態表面不可能留存古磁場樣品,但是它們為數眾多的固態衛星的表面物質則有可能成為一個有效記錄介質。 

1 a)當偶極地磁場不存在時,只有月球近面可接收到地球大氣粒子;藍色橢圓表示月球軌道;(b)當偶極地磁場存在時,近面和背面均可接收到地球大氣粒子

  我國嫦娥四號是世界首個登陸月球背面的探月任務,返回的數據已經產出系列科學發現。近期將發射的嫦娥五號計劃執行月壤樣品返回任務,標志著我國將很快具備從月球背面獲取月壤樣品的能力。后續的人類探月計劃應注重解決哪些重大科學問題?本研究給出了一項較為明確的建議:著眼于月球的特性,借助月球研究地球多圈層耦合系統以及地月系統的演化。 

  研究成果發表于國際學術頂級期刊Geophysical Research Letters。(Wei Y*, Zhong J, Hui H, et al. Implantation of Earth's atmospheric ions into the nearside and farside lunar soil: Implications to geodynamo evolution[J]. Geophysical Research Letters, 2020: e2019GL086208. DOI: 10.1029/2019gl086208)(原文鏈接)。該成果受到國家自然科學基金、中科院地質與地球物理研究所重點部署項目資助。

 
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