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月球的起源
信息来源: 发布时间:2010年11月11日 【 】 【打印】 【关闭

在科学的概念里,月球是地球唯一的天然卫星,它围绕着我们的地球奔腾回旋不息,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。然而,这位地球最忠实的伴侣是什么时间产生的,它又是如何演化的,这一直是科学家们苦苦探寻的问题。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。因此,月球的起源是一个非常重要的科学问题。

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。科学家们提出了很多种可能性,被大家比较看好的有俘获说/配偶说、同源说/手足说、分裂说/亲子说和冲撞说等四种。

【俘获说/配偶说】

月亮是在太阳系中其它地方形成,很早以前碰巧行经地球附近而被地球藉重力捕捉住的。这想法早在1664年就见于笛卡尔 (Decartes) 的著作 (当时他已过世),1909年由西 (Thomas See) 提出。

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极限(洛希极限是一个天体自身的重力与第二个天体造成的潮汐力相等时的距离。当两个天体的距离少于洛希极限,天体就会倾向碎散,继而成为第二个天体的环。它以首位计算这个极限的人爱德华·洛希命名。),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3.8厘米。不过,俘获说只能解释部分观测事实,不能令人满意。因此,不断有人另辟蹊径,提出新的假说。

【同源说/手足说】

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”,是各自重力凝聚成的,或者说在星云的同一区域同时形成了地球和月球。此说的代表人物是若许 (Edouard Roche, 1820-1883) 。

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。

【分裂说/亲子说】

月亮是从早期的地球在快速旋转之下,甩出去的一部份。此说由乔治·达尔文 (George Darwin, 是进化论之父察尔士·达尔文的儿子) 于1878年提出。

月球的分裂说坚持月球是地球的亲生子女,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”。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。

【大撞击说】

大撞击说认为,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。

大撞击说认为,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。大约在相当目前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。

【小结】

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,氧及其它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,最新提出的大撞击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。

【参考文献:】

http://www.clep.org.cn

 

          地月俘获说图                        地月同源说图

地月分裂说图                   大撞击说图解

月球常用数据

月球质量=7.3506×1022千克 
月球直径=3476.4千米 
月球平均密度=3.34克·厘米-3 
月地平均距离=384401千米=0.00257天文距离单位=60.2682地球赤道半径 
近地点平均距离=363300千米 
远地点平均距离=405500千米 
月球表面积=大约1/14地球表面积 
黄道与白道交角=5°09′ 
轨道偏心率=0.0549 
赤道面与黄道面交角=1°32′ 
赤道面与白道面交角=6°41′ 
平均轨道速度=1千米/秒 
月球表面温度:+127℃ - -183℃ 
月球表面重力加速度=1.62米/秒2(为地球表面重力加速度的1/6) 
月球表面脱离速度=2.38千米/秒 
月球年龄=大约46亿年

来源《月球科学概论》

月球的表面高程图

 

嫦娥一号给出的月球影像图

(闫昊明供稿)

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