“透视”月球内部的“慧眼”

□ 国家天文台 郑永春

“透视”月球内部的“慧眼”

□ 国家天文台 郑永春

有传言认为，月球内部是中空的，里面是外星人监视地球的超级基地。这一传言靠谱吗？科学的事实又是怎样的呢？

迄今为止，人类对月球的遥感和就位探测到的元素含量、矿物组成、地形地貌等科学数据，都来自于月球表面的信息。由于探测手段的制约，人类很难直接探测到月球内部的信息。在月球上开展钻探不仅在现有条件下难以实现，而且数十至数百米的钻探深度对解读厚达上千千米月球内部结构的意义十分有限。月球表面特征直接受其内部物质状态和能量的控制，如果我们不了解月球内部，仅凭表面看到的信息推测月球地质历史，就有可能导致对月球起源和演化历史的误读。

月震仪是透视月球内部状态最重要的武器，月球内部的分层、物质成分和密度都是依靠月震波（P波、S波）来解释。阿波罗载人登月埋设的月震仪，记录了1万多次月震和小天体撞击产生的弹性波，使我们对月球内部结构有比较详细的了解。但相较于高分辨率全球制图和局部地区高精度探测对月球表面的了解，我们对月球内部的情况知之甚少。月球内部是如何分层的，是否像地球一样存在壳、幔、核的分层？月球内部是否已经彻底冷却固化，还是像地球一样有一个软流圈？月幔的化学成分是什么？月球内部是否可能含有丰富的水分？这些问题的解答只能通过理论模型、计算机模拟、月球重力场测量、月震监测等手段进行研究。随着研究的深入和探测精度的提高，我们对月球内部的认识已经有了很大程度的提升。就像用X射线扫描人体骨骼和用CT透视人体器官一样，我们有望透视月球内部的状态，而这些问题的答案最终也将帮助我们更好地认识地球的现在，并预测地球和人类的未来。

1.为什么月海多在正面而背面很少？

当400多年前伽利略发明望远镜并用它来观测月球时，他发现月球上有许多暗黑色的区域，于是自然而然地认为月球和地球一样，也有陆地和海洋，而暗黑色的区域是月球上的海洋（简称月海），浅白色的区域是月球上的陆地（简称月陆）。暗黑色的区域连成一片，占据了月球正面的大部分区域，中国古人把这些区域想象成月球上的一棵桂花树（月桂），并演化出吴刚伐桂的神话传说。

地面望远镜对月球的光谱观测发现，填满月海的是暗黑色玄武岩岩浆，而不是海水。科学家认为，这些玄武岩是由于小天体撞击月球，穿透了薄薄的月壳，导致埋藏在月球内部的岩浆上涌，流入低洼的撞击盆地，冷却后形成了大片平坦的月海。

我们知道，由于地球与月球之间的相互作用，月球在刚刚形成时就被潮汐锁定，始终以同一面朝向地球，称为正面，而另一面始终背向地球，称为背面。从地球上只能观测到月球的正面，上述关于月海形成原因的解释无疑足够了。不过一旦探月卫星飞到月球背面，问题就来了，我们发现，月球上一共有大大小小的22个月海，其中19个分布在正面，只有3个小型月海分布在背面（图1）。为什么绝大多数月海都分布在月球正面，而背面的月海很少呢？是什么原因导致了这一现象？

图1 月海多分布在月球正面，而背面很少。其中，东海位于月盘边缘，一半位于月球正面，一半位于月球背面。

大约46亿年前，一颗火星大小的天体“忒亚”撞击原始地球，撞击后的碎片和溅射物聚集在绕地球的轨道上，并慢慢吸积在一起，形成了月球和地球。月球和地球在刚刚形成时都是完全熔融的天体，随后逐渐冷却固化。当时地球的温度超过2500摄氏度，一直向外大量辐射热量，其中一部分传输给月球。这导致月球朝向地球的一面（正面）长期保持熔融状态，而背面却逐渐冷却。这样一来，月球背面与正面就出现了温差，这一温差对月壳的形成具有重要影响。

与热的盐水在冷却过程中逐渐析出氯化钠晶体相似，炙热的岩浆开始冷却时，不同化学组成的矿物结晶析出的顺序也是有先后的。最先结晶析出的是铝和钙等难挥发性的元素，它们与硅酸盐结合，形成了密度较低的斜长石，并上浮到月球表层，形成了月壳。由于月球背面冷却的时间更早，因此背面月壳斜长岩应该更纯，斜长石含量更高，月壳厚度也更大。

最新研究显示，月球正面与背面的月壳厚度存在很大差异（图2），正是这一差异导致背面的月海比正面少得多（2014年6月《天体物理学杂志通讯》）。据推测，在月球刚刚开始冷却的时候，月壳还只是覆盖月球表面的薄薄的一层。如同初冬河面上的冰层，虽然表面结冰了，但薄冰之下依然暗流汹涌。当时，月球的内部尚未完全固结，而遭受大型撞击的频率比现在高得多。由于正面的月壳较薄，月壳容易被撞击月球的小天体砸穿，流出的大量岩浆填入低洼的撞击盆地，形成大面积的月海。当同样大小的天体撞击到月球背面时，由于背面的月壳很厚，岩浆埋藏得更深，撞击作用难以穿透月壳，也就无法使岩浆溢流形成月海了。而如今，月球内部基本上已经冷却，不可能再有大规模的岩浆流出，因此，月球正面月海多而背面少的既定事实已经不可能再改变了。

图2 月球正面的月壳较薄，而背面的月壳较厚。

2.为什么月球的磁场消失了？

现在的月球没有全球性磁场，表面的磁场非常微弱，磁场强度仅为5×10-9特斯拉（5nT），相当于地球磁场强度的万分之一。但科学家在阿波罗宇航员登月采回的月海玄武岩中测到了古磁场，说明月球曾经有过全球性磁场。当这些岩石还是熔融状态的岩浆时，受到当时全球性磁场的磁化，岩浆中的带电离子按照磁场方向定向排列，使月岩可以记录下历史上的月球磁场。那么，月球磁场是如何产生的呢？

解释月球磁场起源的“发电机模型”认为：大约39亿年前，大型撞击砸穿月壳，来自内部的玄武岩岩浆上涌，在月球次表层形成一层由高密度物质组成的“保温层”。玄武岩岩浆中有较高含量的放射性元素，其衰变过程释放出大量热量。“保温层”就像电热毯一样裹住月球内核并加热内部物质，使铁镍硫化物组成的金属内核熔融，形成液态月核。液态月核随月球的自转产生电流，进而产生全球性的感应磁场。麻省理工学院的行星科学家本杰明•维斯给出的新证据表明，月球内核在35亿年前曾经是一个强大的“发电机”，源源不断地循环并产生磁场（图3），月球全球性磁场的持续时间长达10亿年之久。这种超级“发电机”被称为磁流体动力发电机，至今仍在地球内核中运转，使地球得以保持近乎完美的全球性偶极磁场（图4）。

图3 月球内部的岩浆流动形成了超级“发电机”，带电流体的运动产生了全球性磁场。

图4 超级发电机原理。受到地球内核向外传导热量的驱动，外核的岩浆产生对流。对流岩浆由于受到地球自转偏向力的作用成为螺旋状，从而形成环状电流并产生磁场。

月球岩石不仅记录了当时的月球磁场，也记录了月球磁极倒转的信息。地球磁场每隔几十万年或几百万年也会发生磁极倒转，如今的地磁北极在倒转后变成地磁南极。届时，现在的指南针就不再指南，而是指北了。

曲终人散总有时。大约25亿年前，当“保温层”中的放射元素衰变到一定程度时，产生的热量减少，月核逐渐冷却固化。我们知道，磁场的产生有赖于电荷的运动，即电子迁移形成的电流。全球性磁场消失，说明月球内部不再有大规模的电荷运动。此后，月球表面在小天体撞击和地球磁场的影响下形成了如今不规律分布的剩余磁场。

放射性元素的衰变产生大量热能，正是这些能量支撑着当时的月球和现在的地球内部长期处于高温熔融状态。但地球内部的放射性能量终将衰竭，地球内部也将像月球一样逐渐冷却、固结。届时，地球的全球性磁场也会逐渐减弱，并最终消失，地球磁场将无法再帮助人类屏蔽来自太阳、银河系和宇宙的高能量的带电粒子。人类如何躲避和防护高能带电粒子，将是生活在地球上的我们的后代需要面对的现实问题。

地球古老的岩石和将要形成的岩石都保留了剩余磁性，能够反演岩石形成时的地球磁场的方向与强度，板块运动、大陆漂移的证据大多来自岩石剩余磁性的研究。月球是否存在过全球性磁场，是由月球内部的能量状态决定的，与月球的起源密切相关。当然，也有科学家认为月球岩石中的磁场强度可能是被来自宇宙的炙热等离子体磁化后留下的，并非是月球自身磁场留下的记录。因此，关于月球磁场的争论仍将持续。

我们探测太阳系内的月球、各大行星和其他各种类型的天体，除了满足人类的好奇心之外，更重要的是为了地球和人类的长远发展。但地球内部的超级“发电机”还能维持多久，何时将会熄灭？地球磁场减弱和消失的过程将持续多久？这是行星科学面临的重大问题，如果能够解开月球磁场消失的谜团，也将有助于我们预测地球磁场未来的演化。

3.月球内部也有“软流圈”吗？

月球对地球的引力导致地球上的海水每天潮涨潮落，这种引力也牵引着地球上的岩层每天发生细微的起伏，这种起伏被称为“固体潮”。同样道理，地球对月球的引力也可以牵引月球岩层的起伏，根据这种效应我们可以研究月球内部的状态。

在地球上，固体岩石圈只能发生刚性变形，但在岩石圈之下，当温度达到1300°C以上时，岩层逐渐软化，形成了“软流圈”。软流圈是地球地幔的弱塑性变形（粘滞变形）区域。大洋地壳较薄，软流圈出现的深度约为60千米；大陆地壳较厚，软流圈约出现在180～220千米深处。地球岩石圈板块“漂浮”在软流圈之上，自然而然地受到软流圈对流运动的驱动而产生漂移。那么，月球内部是否已经完全固化，是否也存在类似地球一样的软流圈呢？

最近的研究表明，如今的月球并没有完全固化，内部仍然存在一层粘度非常低的半流体层（见2014年7月27日出版的《自然-地球科学》）。地球对月球的引力导致的固体潮，引起月球内部被摩擦生热，进而对半流体层进行潮汐加热。

观测发现，月球由于受到固体潮的作用导致岩层形变，但形变大小与月球内部的结构有什么联系，之前尚无研究。理论分析和计算机模拟是解决这一问题的有效途径，科学家尝试了多套参数进行理论模型的验证。结果发现，只有当假设月幔最深处存在一层超低粘性的半流体层时（图5），计算机理论模拟的结果才能与实际观测到的月球形变相符。说明月幔最深处至今仍然处于软乎乎的弱塑性变形状态。

虽然早有研究认为，月球固体潮引起的形变能量可以加热月球内部，但被加热区域位于哪个圈层此前并不清楚。最新研究发现，这种加热效应主要发生在半流体层中，其他圈层不太会被加热。由于半流体层包裹着整个月核，因此，潮汐加热的能量也会传导到月核，使月核被持续加热，保持相对温暖的状态。

图5 在月幔内部存在一个地震波低速传播的半流体层

4.月球风暴洋是巨型撞击盆地吗？

图6 月球重力恢复与内部实验室。通过一前一后两颗子卫星之间的精确测距，获得了高精度的月球重力场分布数据。

39亿年前后，大量小天体撞击月球表面，形成了许多大型盆地，包括雨海盆地、东海盆地等。风暴洋位于月球正面的西侧，南北方向的直径约为2500千米，总面积达400万平方千米，是月球上最大的月海，覆盖着大面积的玄武岩。从地形上看，风暴洋边缘分布着近似环形的山链，内部海拔较低，与撞击盆地的地形相似。因此有科学家曾推测，风暴洋很可能是直径为3200千米的巨型撞击盆地的一部分，是数十亿年前的一次小行星撞击事件形成的。但这一推断最近被推翻了（2014年10月出版的《自然》），相关证据来自新获得的月球重力场分布数据。

2011年9月，美国国家航空航天局（NASA）发射了名为月球重力恢复与内部实验室（缩写为GRAIL）的探月卫星（图6）。GRAIL卫星包括两颗子卫星，它们在绕月轨道上一前一后结伴飞行。两颗子卫星之间进行实时高精度距离测量，根据测量结果可以精确计算月球引力变化对子卫星运行轨道的影响，从而获得了迄今为止最高精度的月球重力场分布数据（图7）。

高精度月球重力场分布图（图8）显示，风暴洋边缘的内部结构呈直线形，几段直线之间存在夹角。如果风暴洋是小天体撞击形成的，那么大型撞击盆地的内部结构应该是环形的。内部结构反映的风暴洋边界与月球表面地形显示的边缘特征存在明显区别，说明风暴洋不太可能是小天体撞击形成的。那么，风暴洋又是如何形成的呢？

图7 重力场数据反映的月球内部结构（左）和表面高程反映的地形特征（右）存在显著差异。左图清晰地展示了撞击盆地的环状结构，且揭示一条贯穿撞击盆地内部管道（图中圆点标示处）。

距今40～30亿年前，即月球形成并冷却后的5亿年之后，大量炙热岩浆从月球内部向外扩张。内部岩浆与月球表面之间的温差使月球表面产生许多裂缝，这些裂缝成了从月球内部向外“运输”岩浆的“管道”，喷出的岩浆流入风暴洋，形成了如今大规模的风暴洋平原。科学家推测，风暴洋地区含有高浓度的铀、钍、钾等放射性元素，这些元素在衰变过程中会释放热量，使该地区比周围更热。随着风暴洋地区的冷却和收缩，位于边缘的月壳被拉长，形成独特的类似多边形的峡谷，在土星的卫星土卫二上也可以发现类似的地质过程。

由于探测手段的缺乏，我们对月球内部的认识仍然有限。在未来的月球探测任务中，很有必要通过在月球表面布设月震监测台网，并测量月球内部向外释放的热流，构建起一个月球物理观测网络。目的是获得月球内部结构和内部能量的准确测量值，这些测量值是限定月球起源和演化模型的关键参数。通过对探测数据的深入分析和研究成果的不断积累，我们将逐渐看到一个清晰透明的“玻璃月球”。

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图8 在高精度月球重力场分布图（右）上，风暴洋边缘呈现多边形结构。与月球可见光照片（左）和地形高程（中）展现的风暴洋边缘的地形特征明显不同，说明风暴洋不太可能是小天体撞击形成的。