[转帖]地球的南北磁极正在对调？这片海域的磁场异常是个信号

每个星体的磁场都不一样，
形成的空间环境也非常独特，
因此磁场对星体的环境
起了很重要的控制作用。

张辉：星球的记忆，圈层的罗盘,格致论道讲坛,25分钟

我是来自中国科学院地质与地球物理所的张辉，非常荣幸，今天能够在这儿介绍关于月球磁场方面的一些进展。
头顶一个球

我的专业叫空间物理专业。1998年，我进入了北京大学地球物理系，空间物理是其中一个专业。可能很多人对空间物理并不是特别了解，空间物理研究的是太空里带电粒子和电场磁场的相互作用，以及它们产生的各类空间环境效应。


空间物理是一个比较小众的专业，像天文这样比较大众的专业大家会比较了解，两者有什么区别呢？有一个不成文的定义，人类探测器所能达到的范围区域，是空间物理管的区域，更远就是天文学管的区域。

空间物理这个行业是被不同国家的卫星任务所牵引的。回想起来，我个人的科研经历也是和这些卫星计划紧密地绑在一起。2002年左右，我进入研究生的学习阶段，那时发生了一件好事——2000年，欧空局发射了一个4颗卫星组成的星簇计划（Cluster）；2003年，在中国科学院国家空间科学中心的牵引下，中国发射了第一颗以科研为目的的人造卫星，叫双星计划，从而加入到Cluster计划。我是2002年进入这个行业的，所以有幸可以用这两组卫星的数据做科学研究。

到了2007年，美国也发射了“一箭五星”，其中的5颗卫星按照不同距离排列在地球磁场所控制的范围，这个卫星计划叫THEMIS计划。正好这一年，我博士毕业，所以就有机会到加州大学洛杉矶分校，利用这5颗卫星的数据做地球磁场相关现象的研究。



磁场有一个很重要的特点，就是像弹簧一样能一张一弛。被拉伸的时候，它储存能量，但是松弛的时候，它就释放能量。在这样一张一弛的过程，在空间里加速一些带电粒子，最终产生极光现象。这是一个非常好的能量转换过程。

2007年10月份，我到美国进行博士后的研究，那时又发生了一件大事：中国发射了嫦娥探月的第一颗卫星，就是“嫦娥一号”计划。



到2010年的时候，这个计划继续发射了第二颗卫星，即“嫦娥二号”探测计划，同时也宣布了后面一系列的探月工程和嫦娥卫星的计划。



中国探月进行得热火朝天，美国有点坐不住了。2011年，美国将THEMIS计划中最远的2颗卫星转移轨道，让其绕着月球旋转，探测月球磁场以及月球空间环境的现象。这时，THEMIS 的5颗卫星计划还没有完成，但是导师就让我转到研究月球空间环境方面的研究中来，因为相对来说研究的人比较少，我们对月球空间环境的了解比较少，在各个国家也是一个热点。


事实上，这时候中国的嫦娥探测任务在国际上掀起了第二波探月高潮。第一波大家都熟悉，是在1958年卫星上天以后，美国和苏联竞赛很快掀起了包括阿波罗计划、苏联的Luna在内的月球探测高潮，后面就沉寂了一段时间。2007年，中国嫦娥计划实施以后，很多国家都在计划或者已经发射卫星探测任务。


2010年，我在这样的环境下回到中国科学院地质与地球研究所。当时中国在万卫星院士的推动下，积极推动行星科学一级学科的建设与研究。我是研究月球的，我的很多同事在研究太阳系里其他的一些行星，这就形成一个局面——每个人头上都顶着一个球。


独一无二的星体磁场
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太阳系里的这些星体有一个很重要的控制参数——行星的磁场。每个星体的磁场都不一样，形成的空间环境也是非常独特的，因此磁场对星体的环境起了很重要的控制作用。

我们都知道磁场是由电流产生的，安培定律、毕奥-萨伐尔定律已经把电流能产生磁场的事情说得很透彻了。但是这个理论有个很重要的提示，就是电流可以局限在一个比较小的区域内，但是产生的磁场可以延伸到无穷远的地方。反过来看的话，这就给了我们一个有效探测的手段——如果在很远的地方探测到一个磁场，那么就可以知道电流体系的变化，而电流体系的变化是由物质性质变化造成的，所以就能知道产生电流所在地的物质性质。


对于星体而言，它的磁场虽然都是由电流产生的，但是本质来源可能各有不同。比如像地球一类的星体，是由地核里熔融岩浆的动力学过程产生的磁场。而像木星、土星这一类气态的行星，是由底层大气的动力学过程造成的。当然，太阳也有自己的磁场，它的磁场是由内部热核反应形成的一种等离子体组成的，这种等离子体我们称之为物质第四态。我们是怎么了解星体磁场的呢？其实是通过外部磁场去推演内部的动力学过程，从而获得的信息。



磁场在地学研究里是非常重要的一个参数。以地球为例，地球有全球性的、我们称之为偶极场的磁场，所以地球就像一个大磁铁一样。

磁场有一个很重要的性质，即能够阻碍带电粒子的运动。太阳时时刻刻地向外喷射带电粒子，也就是太阳风。太阳风的速度极快，大约一秒钟400公里到1000公里，也就是从北京到广州可能一秒钟就到了。这样一个高速流体的运动如果冲击到地球的大气，很可能会把整个大气冲散，地球大气都没有了。

如果地球大气没有了，那就面临一个更严重的问题——射线。各种高能量的粒子、电磁的辐射会照射到地球上，而大气正是发挥了吸收这些高能的粒子或射线的作用，从而保护地球表面，提供了一个宜居环境。


空间站有做一些种子的实验，把地面的种子拿到400公里以外的中国空间站上。这些种子回地球以后，会长出来各种奇奇怪怪的一些植物，就是辐射造成的。地面上不可能出现这种现象，否则我们的生物可能会发生很多变异。这足可见大气对环境的保护作用。

地球磁场是不是一直能够保护我们呢？不一定。地球磁场有一个很重要的现象，叫地磁反转。每隔一两百万年，地球磁场的南极和北极就会在1000年的时间里渐渐对调。在发生反转的1000年时间里，磁场的强度会急剧降低，还会产生偏离偶极场的小尺度结构，从而不再是一个偶极场，而是四级场、八级场。


我们所的魏勇研究员前些年进行过一个有意思的工作。他通过化石里提取的信息，发现地球上每次磁场反转的时候，总是会对应上化石记录下空气中的氧含量急剧降低的时候，同时，那段时间的生物多样性也会降低。这是否说明，磁场强度的衰减最后造成了生物灭绝呢？这为研究地球上的生物演化提供了一个全新的思路，以及新的维度，至少是一个值得考虑的问题。



现在的地球怎么样呢？过去的几百年，我们看到地球的磁场是偏离偶极场，有一些小尺度结构的。其中，最出名的就是南大西洋区域。这个地方的磁场会出现异常小的情况。在过去的几百年范围内，这个区域不断地变化，而且不断地扩大，位置也在摆动。这说明地球内部的动力学确实在发生变化。



人类有历史记录才五千年，但是地球磁场反转一次就要跨越千年的尺度。在未来千年里，地球磁场会不会反转呢？南大西洋的地磁异常是一个信号。我们国家也很重视，并在近期发射了电磁监测卫星“澳科一号”，其中对南大西洋异常区地磁异常的监测，是一个很重要的科学目标。



生活在地球是相对幸运的，至少人类存在的时候有磁场一直在保护着我们，其他星体可能就没有那么幸运了，比如说我们的姊妹星——火星、金星。它们同样处于地球的宜居带里，太阳辐射温度相对适宜，可能会适宜人类生存。但就现状而言，火星的大气非常稀薄，已经基本没有大气了。金星有大气，但它上面的氢和氧正以2:1的比例在不断逃逸，也就是说上面的水在不断地流失。这些现象最直接的原因，就是火星、金星上没有全球性的磁场，缺少保护。

对于我研究的月球而言，情况更为过分。月球没有全球性的磁场，也没有大气，所以我们常说它是一个“死的星球”。“死的星球”一方面是说星球内部的动力学过程已经停止，另一方面是说因为没有大气和水，所以月球上可能也没有生物。现在在月球上还没有找到生物的迹象，至于以后能不能找到，这是未来探索的一个任务。


其实，月球在历史上是有磁场的。而在形成的早期到10亿年前，这个磁场一直在衰减，这是我们通过阿波罗采回来的样品得出的结论。阿波罗采回来的样品形成于不同的时期，并在形成的时候把当时月球的磁场记录了下来。



我们把测到的样品年龄和它所记录的磁场做了时间轴排序。我们原本认为，月球磁场在42亿年前月球形成的早期最强，随后一直在衰减（蓝色的线标示），但我们从“嫦娥六号”采集返回的样品中发现，这个20多亿年前形成的样品记录了一个很强的磁场，也是磁场的一个高峰，这就打破了原来的说法。月球内部动力学的演化不是一个一直衰减的过程，可能中间有几次反复。这对月球形成演化的过程研究是一个很大的挑战，我们怎么去理解这个事情，也是值得考虑的问题。

没有全球性的磁场之后，月球的现状是什么样的？在十亿年前主磁场消失以后，月球现在就剩下一些小尺度的磁场结构。月球的半径是1700公里，这些磁场尺度只有百公里，强度只有地球的1/100，是非常小的磁场。


这些小尺度磁场在月面的分布是有规律的，要么位于大型撞击坑的旁边，要么位于撞击坑的对面。我们现在认为这和小行星撞击的过程相关。在撞击的过程中，溅射的熔融物洒落到旁边，冷却的时候把当时的磁场记录下来了；或者撞击过程形成的冲击波、地震波，在月球里面传播，能量在对面汇聚，让对面的物性发生改变，记录下当时的磁场。因为记录的是当时的磁场，所以我们把这些磁场称之为“剩磁”，月面的磁场也就叫月面的剩磁。



这些剩磁对月面有没有作用呢？下图是我们日常见到的月面的图像。天气好的时候，大家抬头看月亮就能看到这样一个图像。月面上有一个特点，有的地方是黑色的，这些黑色的区域称之为“月海”。也有一些地方是亮的，亮的地方是“高地”，是月球形成的、最古老的物质成分。因为高地在月面上受各种陨石、小行星轰击的累计历史次数最多，于是它变得坑坑洼洼、碎屑很多，而从光学上，反射率就比较高，所以看起来是白的。


但是并非所有的白的区域都是这样，这个图的左下角有一个特殊区域，我们把它称之为“大白斑”，官方名字叫“Reiner Gamma大白斑”。这个区域不是一个撞击坑，因为阿波罗计划以及嫦娥系列的卫星早就在上面飞了好多次了，发现这个地方是平的，什么都没有，和周围的黑色区域是一模一样的，但是看起来却是白的。背后的原因是什么呢？我们经过空间物理研究的探测发现，这个地方有很强的磁场，如同地球的磁场保护地球一样，这个地方的磁场保护了月面。


月球上的“特殊”白斑
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要解释这个大白斑，首先要从周围的黑色区域怎么形成说起。黑色区域月面长期受到太阳风的轰击，太阳风主要的成分是氢，氢具有还原性，而月面以氧化物为主。氧化物在氢的还原作用下，能把各种价态的铁吸出来，形成微小的铁颗粒。我们把这些微小的铁颗粒称之为“纳米铁”。纳米铁很多的地方，远远地看就是黑色的。大白斑没有太阳风的轰击，所以就呈现白色的。

如果这个理论是完美的，那么把月球上所有的白斑区域（标黄处）和所有的磁场区域做一个比对，它们应该是一一相对应的关系。但是，出现了例外，比如圆圈圈出来的这个地方是有白斑的，但是没有磁场。所以，没有磁场也能产生白斑。


这个白斑是怎么形成的？我们调研了大量的卫星在上方记录的磁场，发现这个地方并不是没有磁场，而是磁场一直在动态变化，有时候强，有时候弱，有时候正，有时候负。绘制磁场分布图的时候，一平均，那个区域就没有磁场了，但实际上是有动态磁场的，而且有时候很强。



这个动态磁场是怎么产生的？这就像你拿一个动来动去的磁铁，不管磁铁怎么放，都能吸住旁边的铁球。原因是铁有一种特殊的性质，放在磁场里会产生一个和原来磁场一模一样的极性，比如这个磁场是南极、北极，这个铁也会产生一个相同方向的南极、北极，所以铁的南极和磁铁的北极就一直靠在一起、相互吸引。当这个磁场运动的时候，铁产生的磁场就会动，因此，运动的磁场能让铁也产生一个运动的磁场。


月球这个地方的动态磁场是怎么产生的？我们知道，太阳也是有磁场的，而且是在不断运动的过程中。我们推断，月球的这个区域有铁。最后，我们详细地分析了这个地方磁场扰动的强度，发现它的磁化率是2.8。2.8磁化率的意思是太阳的磁场是1个纳特，这个地方产生自己的磁场是2.8个纳特，可以看出是比较强的。在自然界能产生这么强顺磁化率的，基本上只能是铁，于是我们差不多能确定这是铁。



但是，这个证据看起来还是不太确切。这个莫斯科撞击区域还有另外一个特点——重力场强度非常大，达到1000 mGal。重力场在月面上的作用是什么？它其实反映出地面浅表的物质密度大小。月面上的物质一般是3.0 g/cm3，如果要产生1000 mGal的重力场强度，需要物质成分的密度非常大。如果用铁去理解这个物质，问题就迎刃而解了，铁的密度是7.8 g/cm3。所以，从磁场和重力的证据，都可以说明这个地方可能有大规模的铁。



事实上，铁在月面上是很难存在的，原因跟月球的起源有关。现在最流行的理论是，月球起源于地球被一个小行星的撞击，在撞击的过程，地球最表面的那一层物质被打出来了，我们称之为分异成功，分异就是重的成分已经沉到地心里，轻的成分浮在上面。


表面的物质是比较轻的，铁这些重成分在地核里没有被打出来，所以形成的月球是比较轻的，而且贫铁的。因此，不是我们聪明，能提出来说这个地方有铁，别人就没想到，而是这些理论阻止了他们去想。

事实上，月球还有大规模的铁富集。既然月球形成的过程不能产生铁，那么这些铁到底怎么来的？内源不行我们就向外找外源带来物质，其中很重要的过程就是撞击。一般来说，月球上的撞击坑都是对称的，要不就是一个圆，但是莫斯科坑这个地方是一个椭圆。常规的月面环形山如果有两个，应该是同心的，但是这个区域是椭圆的且偏心的。



更特别的是，莫斯科坑内部还有一个月牙形的隆起，根据最致密的物质分布图（右下图）显示，在这个隆起的后面，像是有一个东西冲击过来、撞击，然后陷在里面了。我们提出外来物质陷在这儿的设想，但是这个设想，在地学里面是天方夜谭，不太可能。因为月球撞击的速度一般是10-20 km/s，首先撞击的坑应该是圆形的、对称的，其次撞击来的物质都会被气化、熔融，然后散掉了，不可能留在坑内。



于是，我们就提出低速斜撞击的设想，类似拿个铁球扔到泥坑里，泥坑咕咚鼓起来一块儿，然后铁沉进去的过程。但这个在地学上来说是很费解的。我们所是传统的地学大所，门类非常广泛，有做各行各业的人，于是我找到一个做撞击的同事。他一开始也不相信，因为月球上的撞击不可能很低速。我就求着他，让他做一个几公里速度的撞击，斜着撞，撞了以后发现，可以产生这种非对称的结构。而且最重要的是，如果是铁撞击的，确实可以陷到地底下。

那么这个铁从哪儿来呢？自然界是不是有铁呢？在火星和木星之间，有一个主带小行星带，这个区域有10%的小行星是铁质的，而且通过内部的碰撞与轨道动力学，有一定概率能到达月球，虽然这个概率是非常低的。


我们刚才说月球起源的时候，说撞击是把地幔外边的一层轻的物质撞出来。但是，成都理工大学的刘耘教授提出，这个地核也可以被撞出来。如果在月球形成之后，这个地核的物质也在月球轨道，最终落到月球上，也可以形成这种低速的撞击。