对月球研究的论文

月球[1]在科学的概念里，月球是地球唯一的天然卫星，它围绕着地球奔腾回旋不息，它诞生40多亿年来，从未离开过地球的身旁，是地球最忠实的伴侣。 任何天体都有它形成、发展与衰老的演化过程。月球起源与演化的研究，对了解太阳星云的成分、分馏、凝聚与吸积过程、类地行星的形成与演化、地月系统的形成与演化等都具有重要意义。 月球的起源与演化一直是人类十分关注的自然科学的基本问题之一。100多年来曾有过多种有关月球起源与演化的假说，但至今仍众说纷纭，难以形成一个统一的说法。这些月球成因学说争论的焦点在于，月球是与地球一样，在太阳星云中通过星云物质的凝聚、吸积而独立形成，还是由地球分裂出来的一部分物质形成的？月球形成时就是地球的卫星，还是在后期的演化中被地球俘获而成为地球卫星的？ 任何有关月球的起源的假说都必须符合以下一些基本事实：月球是地球的唯一卫星，月球的公转是围绕地月系统质量的质量中心旋转，月球的公转平面与地球的赤道面并不一致。月球的质量约为地球的1/81，月球的平均密度为克/立方厘米，只有地球平均密度的60%。月球与地球的平均成分差异很大，月球比地球富含难熔元素，匮乏挥发性元素和亲铁元素。月球比地球缺水，比地球还原性强。月球内部也有核、幔、壳的圈层状结构。月球表面岩石的年龄一般均大于31亿年，表明月球的演化主要是在其形成后的15亿年内进行的。月球现今是一个内能接近枯竭而活动近于僵死的天体。 地月系统模拟图[2]历史上有关月球起源的假说，大致可归纳为共振潮汐分裂说、同源说、浮获说和撞击成因说共4种类型。其中，前三种月球起源假说虽然对月球的化学成分、结构、运行轨道和地月关系的基本特征的解释均有不同程度的依据，但在地月成分与自转速度的差异，氧及其他同位素组成的相似性等方面，仍存在许多难以自圆其说的缺点。随着对月球研究的不断深入和认识的逐步深化，科学家又提出了新的假说。最新提出的撞击成因说引起了科学家们的极大关注，它能解释更多的观测事实，是当前较合理的月球起源假说。[3]编辑本段分裂说 地月分裂说[4]月球的共振潮汐分裂说是月球起源研究中著名的假说之一。 月球的共振潮汐分裂说坚持月球是地球的亲生女儿，即月球是从地球中分裂出来的。坚持这一假说的科学家认为，在地球形成的早期，地球呈熔融态，由于潮汐共振作用，地球自转不稳定，即使只考虑地球和月球的角动量，当时地球自转的周期也仅有4小时，加上太阳的潮汐作用，地球的自转周期可缩短到2小时，因此有理由相信，在地球历史的早期，地球飞快地旋转，其自转速率比现在要高得多。若初期的地球是熔融状态，地球物质在地赤道面上将出现膨胀区，使在赤道面上的一部分熔体分离，或者说这部分熔融物质在地球高速自转情况下从赤道区被甩了出去，甩出去的物质在地球附近的行星际空间凝聚，冷凝后形成月球。一些持这种假说的人还认为，地球上的太平洋就是分裂出月球后留下的“疤痕”。由于这种假说提出月球是从地球分离出去的，因此这种假说被形象地比喻为“母女说”。不过，由于这一假说与地月系的基本特征不相符，现在已经被大多数科学家所摈弃。[5]编辑本段同源说 地月同源说[6]与俘获说、分裂说和碰撞成因说一样，月球的同源说也是月球起源研究的著名假说之一。 月球起源的同源说坚信月球与地球是姐妹或兄弟关系，月球与地球在太阳星云凝聚过程中同时“出生”，或者说在星云的同一区域同时形成了地球和月球。 主张这一假说的科学家认为，在原始太阳星云内，温度和化学成分取决于与太阳的距离。太阳系的各个行星是在星云中不同的区域、由不同化学成分的星云物质凝聚、吸积而形成的。月球与地球在太阳星云中相距较近，形成过程相似，属于同时形成的“兄弟”。对于地球与月球成分上的差异，他们解释说，形成行星时，开始是凝聚、吸积并形成以铁为主要成分的行星核，金属核进一步增长之后，星云中残留的非金属物质才凝聚，月球就是地球形成后剩下的残余物质所组成的。同源说力图合理解释地球与月球成分差异和月球的核、幔与壳的组成，但其模式与太阳星云的凝聚过程和地月系的运动特征不尽相符。因此，这一假说也不尽人意。[7]编辑本段俘获说 地月俘获说[8]月球捕获说认为，月球是地球抢过来的“女儿”，即地球与月球由不属于同一星云团的物质形成，由于地-月轨道的变化，在1～10个地球半径范围内，外来的月球在飞过地球附近时被地球的强大引力所捕获，最终成为一颗环绕地球运行的卫星。 主张俘获说的科学家认为，地球和月球处在太阳星云的不同部位，由化学成分不同的星云物质凝聚而形成。月球原来的运行轨道与地球的轨道面交角很小（约5度），当月球运行到地球附近时，在地月距离为10个地球半径的范围内，月球可能被地球俘获而成为地球的卫星。 著名有天文学家阿尔芬认为，月球曾经是一个独立的行星，月球被地球俘获时，与地球的距离大约为26个地球半径，与地球的平面的交角为149度。如果月球进入地球的洛希限，潮汐会产生很强的非均一重力场，月球表面的岩石将会破碎，并进入月球运行的轨道空间，大部碎片物质又返回月球，撞击月球，在月表产生大量的月海盆地。月球正面在39亿年前发生的开凿月海事件——雨海事件也许是俘获说的重要证据。通过地月轨道的精细计算及激光测距的数据表明，现今月球的轨道愈来愈远离地球，每年后退约厘米。不过，俘获说只能解释部分观 大踫撞[9]测事实，不能令人满意。因此，不断有人另辟蹊径，提出新的假说。[10]编辑本段撞击说 撞击说图示[11]分裂说、同源说、浮获说这些关于月球起源的假说只能解释部分观测事实，不能令人满意。因此不断有科学家另辟蹊径，提出新的假说。其中，20世纪80年代中期提出的撞击成因说引起了人们的极大关注，它能解释更多的观测事实，是当前较合理的月球起源假说。 撞击成因说也被称为“大碰撞分裂说”，这一假说认为，地球早期受到一个火星大小的天体撞击，撞击碎片（即两个天体的硅酸盐幔的一部分）最终形成了月球。 撞击成因说认为，在太阳系形成早期，行星际空间有大量星云，星云经过碰撞、吸积而逐渐增大。大约在相当地月系统存在的空间范围内，形成了一个质量相当于现在地球质量9/10的“原地球”和另一个火星大小的天体“原月球”。这两个天体在各自的演化过程中都形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐组成的幔和壳。由于这两个天体相距不远，因此有机会发生碰撞。剧烈的碰撞不仅使“原地球”的自转产生了偏斜，而且使“原月球”碎裂，幔和壳变热蒸发，膨胀的气体“裹挟”着尘埃和少量的幔物质飞离原月球。被分离的金属核因受膨胀气体的阻碍而减速，被“原地球”吸积并变成了地球的一部分。飞离的气体尘埃物质受地球引力的作用，呈盘状分布在洛希限以外的空间，它们通过吸积，先形成一些小天体，然后像滚雪球一样不断吸积增长，最终形成现在的月球。 撞击成因说可以合理地解释地月系统的基本特征，如地球自转轴的倾斜与自转加速、月球轨道与地球赤道面的不一致、月球是太阳唯一的与主行星质量比为1/81的卫星、月球富含难熔元素而匮乏挥发性元素和亲铁元素、月球的密度比地球低以及月球形成初期曾产生过广泛熔融、存在过岩浆洋等事实，因此撞击成因说是当今较为合理、较为成熟的月球起源学说，逐渐获得了大多数学者的支持。[11] [8] 绕月航天器Smart-1[12]2006年，欧洲宇航局的绕月航天器Smart-1完成对月球表面化学成分的测定，测定结果显示月球表面含有包括钙和镁在内的一些化学元素。一直以来人们关于月球是由地球一部分撞击分裂形成，这次发现为月球起源的“撞击分裂说”提供了有力证据。 20世纪60年代晚期和20世纪70年代早期，美国宇航员阿波罗号登月任务中带回月岩样本，自那以后，行星学家们对这些月岩与地球深出地函区域发现的岩石十分的相似感到惊讶。当更多的科学家细致的观察了月岩，月球起源问题变得更具有悬疑，科学家们发现月球与地球深处的岩石仍有着很大的差别。最关键的是，月岩当中的同位素与地球岩石当中的发现并不一致。 据一些科学家推测，在地球生成的早期，曾经有一个相当于火星大小的星球撞击地球，造成的碎片后来聚集形成了月球。如果情况的确如此，月球的含铁量将会比地球低，而镁和铝这样的轻元素的含量则会高一些。 关于月球的起源另外一种理论认为，地球和月球是从一块气体尘埃云中同时产生两个天体。但自从“阿波罗计划”之后，科学家获得了大量令人震撼的照片和382千克月球的土壤岩石。月球起源“撞击分裂说”逐渐占据了上风。[13]编辑本段核爆炸说2010年初，南非和荷兰的两位科学家又提出了一种新的理论和解释。他们认为，月球并非是由于太空撞击或太空爆炸所造成的，而是由于地球自身的一次核爆炸而从地球分离出去的。 南非西开普大学科学家罗伯-德-梅耶尔和荷兰阿姆斯特丹自由大学科学家维姆-范-维斯特伦恩是根据一种核裂变理论提出这种观点的，这种核裂变理论早在19世纪初就有科学家描述过。该理论认为，地球和月球都来自宇宙中同一滴旋转的熔岩，后来一部分分离出去形成了如今的月球。然而，除了撞击原因以外，当时的科学家无法用其他理由来解释形成月球的那一部分熔岩是如何分离出去的。 两位科学家认为，形成月球的那部分熔岩是在地球的一次核爆炸中脱离出去的。在他们的研究论文--《月球起源的另一种假设》中，两位科学家解释说，如果月球是由于一次撞击性的外部力量而从地球分离出去的话，那么它应该由撞击天体和地球的某些物质组成。他们说，“太阳系进化的模型显示，地球的化学组成和撞击天体的化学组成不可能是同样的。” 然而，根据探测到的月球标本显示，月球在化学组成上几乎与地球是相同的。这一发现表明，月球的分离过程没有撞击天体的介入。科学家们在研究论文中解释说，“月球的化学组成与地球越相似，说明月球越有可能是直接形成于地球物质。” 因此，科学家们相信，造成月球直接从地球分离出去并进入轨道的能量是由地球地幔边界的一种超临界反应堆所产生。这种反应堆产生足够的热量使得地球上的硅酸盐等物质被蒸发并喷射出去。美国《科技新时代》杂志科学家克雷-迪洛维也支持两位科学家的观点。迪洛维认为，“根据他们的解释，地心引力在地球的赤道平面附近的地表浓缩了大量的重金属，如铀和钍等。当这些重金属积聚到足够多，浓度足够大，就会产生一种失控的核链式反应，这和核电站的某些原理有些相似。” 迪洛维解释说，“通过这种方式，一种自然形成的地球核反应堆被推到了超临界水平，然后就会爆炸。月球从地球分离出去后，被巨大的核爆炸力量推动进入公转轨道。当然，这种理论很难检验。但是，人们确实知道地球核反应堆的存在，它所产生的遗留物就是如今开采的铀矿。” 梅耶尔和维斯特伦恩认为，要想证明他们的理论，需要依靠未来的月球探测任务带回月球更深内部的物质样本。[1]编辑本段月球的演化阶段 月球的演化[14]科学家将月球漫长的演化历程分为六个阶段： 第一阶段：月球的形成前阶段（距今58亿年～46亿年） 太阳系的元素起源（距今58亿年～50亿年）：现今太阳系元素和同位素组成的格局是在前一代恒星的元素合成的基础上形成的，这些元素（及其同位素）是形成太阳星云的物质基础。 太阳星云的凝聚（距今50亿年～46亿年）：在以原太阳为中心的太阳星云盘中，元素产生分馏、凝聚、吸积和级序增生，在不同距离的不同空间和温度区域，形成化学成分不同的星云。 第二阶段：月球的形成及其初始阶段（距今46亿年～44亿年） 根据各种测年技术对陨石形成年龄的测定，太阳系各种天体的形成年龄一般为亿年。月球和地球岩石的精细测年表明，月球形成的年龄为45亿年，而地球的形成年龄约为亿年。 月球的早期熔融（距今45亿年～44亿年）：根据月球热历史的研究，在月球形成后不久，整个月球曾发生过多次局部熔融，月球的大部分曾被加热到1000℃以上，甚至形成过全球性的岩浆洋。月球内部物质通过熔融、重力调整，逐渐形成月核、月幔、月壳结构。原始月壳可能因后期大量小天体的撞击而难以保存。 第三阶段：月球的区域熔融与月球高地形成阶段（距今44亿年～40亿年） 距今41亿年前，月球产生过一次规模较大岩浆活动，通过岩浆分离作用，形成了斜长岩高地（月陆区）。月球高地的岩石一般都有复杂的碎裂变形或多次撞击作用的变质历史。小天体的频繁撞击，使月球高地削低了1500米～2000米。距今40亿年前，斜长岩局部熔融，产生了富含放射性元素和难熔元素的岩浆活动，岩浆凝结后就形成了非月海玄武岩（克里普岩和苏长岩）。斜长岩与非月海玄武岩是月面残存的最古老的岩石。 第四阶段：月海的形成与月海泛滥阶段（距今40亿年～31亿年） 月海的形成（雨海事件）（距今40亿年～39亿年）阶段：雨海纪是月球灾变时期。由于大量小天体猛烈而频繁地撞击月球，在月球表面就开凿形成了月海盆地（大型环状构造）。根据各月海岩石的同位素年龄研究，月海的形成年龄集中在39亿年前±亿年 ，各月海的形成次序从早到晚大致是酒海、澄海、湿海、危海、雨海、东海…… 月海泛滥（月海玄武岩喷发）（距今39亿年～31亿年）阶段：月海玄武岩喷发填充月海发生在距今39亿年前～31亿年前，是由月球产生的第二次大规模火山岩浆活动引起的。根据月海玄武岩的年龄测定，至少有5次月海玄武岩喷发。月海玄武岩填充的时间依次为：雨海西→雨海东→湿海→危海→雨海→静海→丰富海→澄海→风暴洋。 第五阶段：月球晚期演化阶段（距今31亿年至今） 这一阶段在月球地质历史中称为艾拉托逊纪与哥白尼纪。31亿年以来，虽然小天体的撞击引起的小型火山喷发活动时有发生，潮汐作用诱发的月震活动仍较活跃，但月球表面形貌已基本定型，月球内部的化学演化处于停滞状态。距今20亿年前，月球似乎经受过一次明显的加热事件，但原因不明。艾拉托逊纪形成的辐射撞击坑、辐射纹较暗淡或已消失。哥白尼纪形成的辐射坑则具有明显的辐射纹。 局部的小型的岩浆活动和火山活动仍可能存在，如链状月坑的分布可能是沿断裂分布的火山口，也可能是碎裂的彗星连续撞击月表所形成的。月岩和月壤在月球表面的暴露年龄证明，近500万年以来，月球表面仍然不断地遭受到太阳系小天体的撞击。 第六阶段：月球的现状 月球经历了45亿年的演化，现今已成为一个内部能源近于枯竭、内部活动近于停滞的僵死的天体，仅有极其微弱的月震活动。小天体的撞击和巨大的温差是月球表面最主要的地质营力，它使岩石机械碎裂、月壤层增厚、地形缓慢夷平。现今月球的表面是一个无大气、无水、干燥、无声、无生命活动的死寂的世界。[15]