□ 國家天文臺 鄭永春

“透視”月球內(nèi)部的“慧眼”

□ 國家天文臺 鄭永春

有傳言認為，月球內(nèi)部是中空的，里面是外星人監(jiān)視地球的超級基地。這一傳言靠譜嗎？科學的事實又是怎樣的呢？

迄今為止，人類對月球的遙感和就位探測到的元素含量、礦物組成、地形地貌等科學數(shù)據(jù)，都來自于月球表面的信息。由于探測手段的制約，人類很難直接探測到月球內(nèi)部的信息。在月球上開展鉆探不僅在現(xiàn)有條件下難以實現(xiàn)，而且數(shù)十至數(shù)百米的鉆探深度對解讀厚達上千千米月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的意義十分有限。月球表面特征直接受其內(nèi)部物質(zhì)狀態(tài)和能量的控制，如果我們不了解月球內(nèi)部，僅憑表面看到的信息推測月球地質(zhì)歷史，就有可能導致對月球起源和演化歷史的誤讀。

月震儀是透視月球內(nèi)部狀態(tài)最重要的武器，月球內(nèi)部的分層、物質(zhì)成分和密度都是依靠月震波（P波、S波）來解釋。阿波羅載人登月埋設(shè)的月震儀，記錄了1萬多次月震和小天體撞擊產(chǎn)生的彈性波，使我們對月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)有比較詳細的了解。但相較于高分辨率全球制圖和局部地區(qū)高精度探測對月球表面的了解，我們對月球內(nèi)部的情況知之甚少。月球內(nèi)部是如何分層的，是否像地球一樣存在殼、幔、核的分層？月球內(nèi)部是否已經(jīng)徹底冷卻固化，還是像地球一樣有一個軟流圈？月幔的化學成分是什么？月球內(nèi)部是否可能含有豐富的水分？這些問題的解答只能通過理論模型、計算機模擬、月球重力場測量、月震監(jiān)測等手段進行研究。隨著研究的深入和探測精度的提高，我們對月球內(nèi)部的認識已經(jīng)有了很大程度的提升。就像用X射線掃描人體骨骼和用CT透視人體器官一樣，我們有望透視月球內(nèi)部的狀態(tài)，而這些問題的答案最終也將幫助我們更好地認識地球的現(xiàn)在，并預測地球和人類的未來。

1.為什么月海多在正面而背面很少？

當400多年前伽利略發(fā)明望遠鏡并用它來觀測月球時，他發(fā)現(xiàn)月球上有許多暗黑色的區(qū)域，于是自然而然地認為月球和地球一樣，也有陸地和海洋，而暗黑色的區(qū)域是月球上的海洋（簡稱月海），淺白色的區(qū)域是月球上的陸地（簡稱月陸）。暗黑色的區(qū)域連成一片，占據(jù)了月球正面的大部分區(qū)域，中國古人把這些區(qū)域想象成月球上的一棵桂花樹（月桂），并演化出吳剛伐桂的神話傳說。

地面望遠鏡對月球的光譜觀測發(fā)現(xiàn)，填滿月海的是暗黑色玄武巖巖漿，而不是海水?？茖W家認為，這些玄武巖是由于小天體撞擊月球，穿透了薄薄的月殼，導致埋藏在月球內(nèi)部的巖漿上涌，流入低洼的撞擊盆地，冷卻后形成了大片平坦的月海。

我們知道，由于地球與月球之間的相互作用，月球在剛剛形成時就被潮汐鎖定，始終以同一面朝向地球，稱為正面，而另一面始終背向地球，稱為背面。從地球上只能觀測到月球的正面，上述關(guān)于月海形成原因的解釋無疑足夠了。不過一旦探月衛(wèi)星飛到月球背面，問題就來了，我們發(fā)現(xiàn)，月球上一共有大大小小的22個月海，其中19個分布在正面，只有3個小型月海分布在背面（圖1）。為什么絕大多數(shù)月海都分布在月球正面，而背面的月海很少呢？是什么原因?qū)е铝诉@一現(xiàn)象？

圖1 月海多分布在月球正面，而背面很少。其中，東海位于月盤邊緣，一半位于月球正面，一半位于月球背面。

大約46億年前，一顆火星大小的天體“忒亞”撞擊原始地球，撞擊后的碎片和濺射物聚集在繞地球的軌道上，并慢慢吸積在一起，形成了月球和地球。月球和地球在剛剛形成時都是完全熔融的天體，隨后逐漸冷卻固化。當時地球的溫度超過2500攝氏度，一直向外大量輻射熱量，其中一部分傳輸給月球。這導致月球朝向地球的一面（正面）長期保持熔融狀態(tài)，而背面卻逐漸冷卻。這樣一來，月球背面與正面就出現(xiàn)了溫差，這一溫差對月殼的形成具有重要影響。

與熱的鹽水在冷卻過程中逐漸析出氯化鈉晶體相似，炙熱的巖漿開始冷卻時，不同化學組成的礦物結(jié)晶析出的順序也是有先后的。最先結(jié)晶析出的是鋁和鈣等難揮發(fā)性的元素，它們與硅酸鹽結(jié)合，形成了密度較低的斜長石，并上浮到月球表層，形成了月殼。由于月球背面冷卻的時間更早，因此背面月殼斜長巖應該更純，斜長石含量更高，月殼厚度也更大。

最新研究顯示，月球正面與背面的月殼厚度存在很大差異（圖2），正是這一差異導致背面的月海比正面少得多（2014年6月《天體物理學雜志通訊》）。據(jù)推測，在月球剛剛開始冷卻的時候，月殼還只是覆蓋月球表面的薄薄的一層。如同初冬河面上的冰層，雖然表面結(jié)冰了，但薄冰之下依然暗流洶涌。當時，月球的內(nèi)部尚未完全固結(jié)，而遭受大型撞擊的頻率比現(xiàn)在高得多。由于正面的月殼較薄，月殼容易被撞擊月球的小天體砸穿，流出的大量巖漿填入低洼的撞擊盆地，形成大面積的月海。當同樣大小的天體撞擊到月球背面時，由于背面的月殼很厚，巖漿埋藏得更深，撞擊作用難以穿透月殼，也就無法使巖漿溢流形成月海了。而如今，月球內(nèi)部基本上已經(jīng)冷卻，不可能再有大規(guī)模的巖漿流出，因此，月球正面月海多而背面少的既定事實已經(jīng)不可能再改變了。

圖2 月球正面的月殼較薄，而背面的月殼較厚。

2.為什么月球的磁場消失了？

現(xiàn)在的月球沒有全球性磁場，表面的磁場非常微弱，磁場強度僅為5×10-9特斯拉（5nT），相當于地球磁場強度的萬分之一。但科學家在阿波羅宇航員登月采回的月海玄武巖中測到了古磁場，說明月球曾經(jīng)有過全球性磁場。當這些巖石還是熔融狀態(tài)的巖漿時，受到當時全球性磁場的磁化，巖漿中的帶電離子按照磁場方向定向排列，使月巖可以記錄下歷史上的月球磁場。那么，月球磁場是如何產(chǎn)生的呢？

解釋月球磁場起源的“發(fā)電機模型”認為：大約39億年前，大型撞擊砸穿月殼，來自內(nèi)部的玄武巖巖漿上涌，在月球次表層形成一層由高密度物質(zhì)組成的“保溫層”。玄武巖巖漿中有較高含量的放射性元素，其衰變過程釋放出大量熱量?！氨貙印本拖耠姛崽阂粯庸≡虑騼?nèi)核并加熱內(nèi)部物質(zhì)，使鐵鎳硫化物組成的金屬內(nèi)核熔融，形成液態(tài)月核。液態(tài)月核隨月球的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生電流，進而產(chǎn)生全球性的感應磁場。麻省理工學院的行星科學家本杰明?維斯給出的新證據(jù)表明，月球內(nèi)核在35億年前曾經(jīng)是一個強大的“發(fā)電機”，源源不斷地循環(huán)并產(chǎn)生磁場（圖3），月球全球性磁場的持續(xù)時間長達10億年之久。這種超級“發(fā)電機”被稱為磁流體動力發(fā)電機，至今仍在地球內(nèi)核中運轉(zhuǎn)，使地球得以保持近乎完美的全球性偶極磁場（圖4）。

圖3 月球內(nèi)部的巖漿流動形成了超級“發(fā)電機”，帶電流體的運動產(chǎn)生了全球性磁場。

圖4 超級發(fā)電機原理。受到地球內(nèi)核向外傳導熱量的驅(qū)動，外核的巖漿產(chǎn)生對流。對流巖漿由于受到地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用成為螺旋狀，從而形成環(huán)狀電流并產(chǎn)生磁場。

月球巖石不僅記錄了當時的月球磁場，也記錄了月球磁極倒轉(zhuǎn)的信息。地球磁場每隔幾十萬年或幾百萬年也會發(fā)生磁極倒轉(zhuǎn)，如今的地磁北極在倒轉(zhuǎn)后變成地磁南極。屆時，現(xiàn)在的指南針就不再指南，而是指北了。

曲終人散總有時。大約25億年前，當“保溫層”中的放射元素衰變到一定程度時，產(chǎn)生的熱量減少，月核逐漸冷卻固化。我們知道，磁場的產(chǎn)生有賴于電荷的運動，即電子遷移形成的電流。全球性磁場消失，說明月球內(nèi)部不再有大規(guī)模的電荷運動。此后，月球表面在小天體撞擊和地球磁場的影響下形成了如今不規(guī)律分布的剩余磁場。

放射性元素的衰變產(chǎn)生大量熱能，正是這些能量支撐著當時的月球和現(xiàn)在的地球內(nèi)部長期處于高溫熔融狀態(tài)。但地球內(nèi)部的放射性能量終將衰竭，地球內(nèi)部也將像月球一樣逐漸冷卻、固結(jié)。屆時，地球的全球性磁場也會逐漸減弱，并最終消失，地球磁場將無法再幫助人類屏蔽來自太陽、銀河系和宇宙的高能量的帶電粒子。人類如何躲避和防護高能帶電粒子，將是生活在地球上的我們的后代需要面對的現(xiàn)實問題。

地球古老的巖石和將要形成的巖石都保留了剩余磁性，能夠反演巖石形成時的地球磁場的方向與強度，板塊運動、大陸漂移的證據(jù)大多來自巖石剩余磁性的研究。月球是否存在過全球性磁場，是由月球內(nèi)部的能量狀態(tài)決定的，與月球的起源密切相關(guān)。當然，也有科學家認為月球巖石中的磁場強度可能是被來自宇宙的炙熱等離子體磁化后留下的，并非是月球自身磁場留下的記錄。因此，關(guān)于月球磁場的爭論仍將持續(xù)。

我們探測太陽系內(nèi)的月球、各大行星和其他各種類型的天體，除了滿足人類的好奇心之外，更重要的是為了地球和人類的長遠發(fā)展。但地球內(nèi)部的超級“發(fā)電機”還能維持多久，何時將會熄滅？地球磁場減弱和消失的過程將持續(xù)多久？這是行星科學面臨的重大問題，如果能夠解開月球磁場消失的謎團，也將有助于我們預測地球磁場未來的演化。

3.月球內(nèi)部也有“軟流圈”嗎？

月球?qū)Φ厍虻囊е碌厍蛏系暮Ｋ刻斐睗q潮落，這種引力也牽引著地球上的巖層每天發(fā)生細微的起伏，這種起伏被稱為“固體潮”。同樣道理，地球?qū)υ虑虻囊σ部梢誀恳虑驇r層的起伏，根據(jù)這種效應我們可以研究月球內(nèi)部的狀態(tài)。

在地球上，固體巖石圈只能發(fā)生剛性變形，但在巖石圈之下，當溫度達到1300°C以上時，巖層逐漸軟化，形成了“軟流圈”。軟流圈是地球地幔的弱塑性變形（粘滯變形）區(qū)域。大洋地殼較薄，軟流圈出現(xiàn)的深度約為60千米；大陸地殼較厚，軟流圈約出現(xiàn)在180～220千米深處。地球巖石圈板塊“漂浮”在軟流圈之上，自然而然地受到軟流圈對流運動的驅(qū)動而產(chǎn)生漂移。那么，月球內(nèi)部是否已經(jīng)完全固化，是否也存在類似地球一樣的軟流圈呢？

最近的研究表明，如今的月球并沒有完全固化，內(nèi)部仍然存在一層粘度非常低的半流體層（見2014年7月27日出版的《自然-地球科學》）。地球?qū)υ虑虻囊е碌墓腆w潮，引起月球內(nèi)部被摩擦生熱，進而對半流體層進行潮汐加熱。

觀測發(fā)現(xiàn)，月球由于受到固體潮的作用導致巖層形變，但形變大小與月球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有什么聯(lián)系，之前尚無研究。理論分析和計算機模擬是解決這一問題的有效途徑，科學家嘗試了多套參數(shù)進行理論模型的驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有當假設(shè)月幔最深處存在一層超低粘性的半流體層時（圖5），計算機理論模擬的結(jié)果才能與實際觀測到的月球形變相符。說明月幔最深處至今仍然處于軟乎乎的弱塑性變形狀態(tài)。

雖然早有研究認為，月球固體潮引起的形變能量可以加熱月球內(nèi)部，但被加熱區(qū)域位于哪個圈層此前并不清楚。最新研究發(fā)現(xiàn)，這種加熱效應主要發(fā)生在半流體層中，其他圈層不太會被加熱。由于半流體層包裹著整個月核，因此，潮汐加熱的能量也會傳導到月核，使月核被持續(xù)加熱，保持相對溫暖的狀態(tài)。

圖5 在月幔內(nèi)部存在一個地震波低速傳播的半流體層

4.月球風暴洋是巨型撞擊盆地嗎？

圖6 月球重力恢復與內(nèi)部實驗室。通過一前一后兩顆子衛(wèi)星之間的精確測距，獲得了高精度的月球重力場分布數(shù)據(jù)。

39億年前后，大量小天體撞擊月球表面，形成了許多大型盆地，包括雨海盆地、東海盆地等。風暴洋位于月球正面的西側(cè)，南北方向的直徑約為2500千米，總面積達400萬平方千米，是月球上最大的月海，覆蓋著大面積的玄武巖。從地形上看，風暴洋邊緣分布著近似環(huán)形的山鏈，內(nèi)部海拔較低，與撞擊盆地的地形相似。因此有科學家曾推測，風暴洋很可能是直徑為3200千米的巨型撞擊盆地的一部分，是數(shù)十億年前的一次小行星撞擊事件形成的。但這一推斷最近被推翻了（2014年10月出版的《自然》），相關(guān)證據(jù)來自新獲得的月球重力場分布數(shù)據(jù)。

2011年9月，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射了名為月球重力恢復與內(nèi)部實驗室（縮寫為GRAIL）的探月衛(wèi)星（圖6）。GRAIL衛(wèi)星包括兩顆子衛(wèi)星，它們在繞月軌道上一前一后結(jié)伴飛行。兩顆子衛(wèi)星之間進行實時高精度距離測量，根據(jù)測量結(jié)果可以精確計算月球引力變化對子衛(wèi)星運行軌道的影響，從而獲得了迄今為止最高精度的月球重力場分布數(shù)據(jù)（圖7）。

高精度月球重力場分布圖（圖8）顯示，風暴洋邊緣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈直線形，幾段直線之間存在夾角。如果風暴洋是小天體撞擊形成的，那么大型撞擊盆地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應該是環(huán)形的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)反映的風暴洋邊界與月球表面地形顯示的邊緣特征存在明顯區(qū)別，說明風暴洋不太可能是小天體撞擊形成的。那么，風暴洋又是如何形成的呢？

圖7 重力場數(shù)據(jù)反映的月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)（左）和表面高程反映的地形特征（右）存在顯著差異。左圖清晰地展示了撞擊盆地的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且揭示一條貫穿撞擊盆地內(nèi)部管道（圖中圓點標示處）。

距今40～30億年前，即月球形成并冷卻后的5億年之后，大量炙熱巖漿從月球內(nèi)部向外擴張。內(nèi)部巖漿與月球表面之間的溫差使月球表面產(chǎn)生許多裂縫，這些裂縫成了從月球內(nèi)部向外“運輸”巖漿的“管道”，噴出的巖漿流入風暴洋，形成了如今大規(guī)模的風暴洋平原?？茖W家推測，風暴洋地區(qū)含有高濃度的鈾、釷、鉀等放射性元素，這些元素在衰變過程中會釋放熱量，使該地區(qū)比周圍更熱。隨著風暴洋地區(qū)的冷卻和收縮，位于邊緣的月殼被拉長，形成獨特的類似多邊形的峽谷，在土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二上也可以發(fā)現(xiàn)類似的地質(zhì)過程。

由于探測手段的缺乏，我們對月球內(nèi)部的認識仍然有限。在未來的月球探測任務中，很有必要通過在月球表面布設(shè)月震監(jiān)測臺網(wǎng)，并測量月球內(nèi)部向外釋放的熱流，構(gòu)建起一個月球物理觀測網(wǎng)絡。目的是獲得月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部能量的準確測量值，這些測量值是限定月球起源和演化模型的關(guān)鍵參數(shù)。通過對探測數(shù)據(jù)的深入分析和研究成果的不斷積累，我們將逐漸看到一個清晰透明的“玻璃月球”。

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圖8 在高精度月球重力場分布圖（右）上，風暴洋邊緣呈現(xiàn)多邊形結(jié)構(gòu)。與月球可見光照片（左）和地形高程（中）展現(xiàn)的風暴洋邊緣的地形特征明顯不同，說明風暴洋不太可能是小天體撞擊形成的。