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中微子与月球的演化

(2006-01-09 13:58:44)
分类: 地球科学

自17世纪初伽利略(Galileo,1564-1642)利用望远镜观测月球以来,尤其是人类登月计划实施以来,人们对月球的认识越来越深入,有关月球的知识也越来越多,与此同时关于月球的不解之谜也越来越多。譬如,月球环形山是如何形成的?月球表面为什么会发出一些神秘的亮光?月球内部物质的密度为什么低于其表面的物质密度?等等。这些问题至今也没有一个令人满意的答案。本文运用中微子地球演化理论,对月球的演化进行了研究和考察,较好地解释了月球环形山、月海、集质、表面发光和内部空洞等一系列令人不解的问题。

1.令人难解的月球之谜

所谓月球不解之谜,就是利用我们从地球上获得的知识暂时无法解释的一些月球现象。这些无法解释的现象归纳起来主要有如下几个方面:

(1)山和月海的形成。所谓环形山,通常是指呈碗状凹坑结构的月球高地。月球的上环形山,一是数量多、分布广;二是大小相差悬殊,形态各异。环形山分布在整个月面上,占月面面积的7—10%,数量至少有100万个,大的环形山直径数百公里,小的直径只有几米、几厘米,甚至更小。有的环形山有中央丘;有的环形山中套有小环形山;有的环形山四周有辐射条纹。月球背面的环形山多于正面的环形山。所谓月海,实际上是月球表面一些宽广的平原和洼地。月海主要由玄武岩组成。由于玄武岩的反射率平均只有6%,大部分阳光会被它吸收掉,所以,从地球上看,月海的颜色比较黯淡。目前已经探明月球表面有22个月海,其中向着地球的一面有19个,月球背面只有3个月海。

(2)月球集质现象。研究发现,月球上有许多质量集中的地方,科学家称它们为月球质量瘤,也称月球集质。在集质存在的地方,物质的密度异常地高。月球集质多存在于月海下面。

(3)月球的发光及其他短暂现象。观测发现,月球并不是寂静的世界,在月球表面经常出现一些令人不解的发光(包括红光、辉光等)和雾气等短暂现象,它们持续的时间在几分钟到数小时。

(4)月球内部的空洞。月球上经常发生类似地震的月震,根据月震波的传播速率可知,月球内部的密度低于月球表面的密度,使人感到其内部可能有空洞。

对于这些奇异现象,科学家们也作出了某种解释,但是,所有这些解释或者不能自圆其说,或者没有得到证实。例如,关于环形山,目前较流行的说法有两种:一种认为,环形山是死的火山口,另一种认为,环形山是陨石撞击月球表面而形成的坑。这两种观点均不能解释下列事实:(1)月球环形山的直径几乎连续地分布在数毫米到数百千米之间,而且都呈正圆形状;(2)有少数环形山呈规则的"一"字型排开,即数个环形山整齐排成一排;(3)两颗陨石撞击天体的同一地方的几率几乎为零,但月球上环形山中套环形山的现象比比皆是;(4)有的环形山具有同心环结构,它类似水库堤坝长期被水浪侵蚀而形成的可以反映水位高低变化的梯形层状结构。关于月球上的发光等短暂现象,也有两种较有影响的解释:一种认为,由于月球表面没有大气,被太阳照射的月面与没有被太阳照射的月面温度相差悬殊。白天月面温度达摄氏127度,夜晚则降到摄氏负183度。这样,当月面的某一地方从黑夜变成阳光普照的白天时,强烈的温度变化可导致月球岩石开裂,被封闭在岩石下的气体突然冲到月面,并迅速膨胀,于是就产生了明亮而短暂的发光现象。然而,这一观点不能解释人们在月球背阳面所发现的发光现象。另一种认为,月球发光等短暂现象源于太阳上面出现的耀斑。但是,人们通过深入研究,发现月球发光现象与太阳耀斑活动没有对应关系。至于月球集质和内部空洞问题,科学家至今无法解释。

2.中微子地球演化理论的基本内容

我们知道,地球的内部和其外层大气一样呈现圈层结构。这一现象并非偶然的巧合,它们的圈层构造有着相同或相近的形成机理。

研究表明,大气的圈层结构是由于各种宇宙射线和不同频率的太阳辐射,分别在不同的高度与大气物质作用的结果。例如高层大气物质吸收带电的粒子,形成电离层;在距地面10-50公里处,大气吸收紫外线,形成臭氧层;在靠近地表的底层,大气吸收可见光和红外线,形成对流层等等。如果没有宇宙射线和太阳辐射的维持,大气分子的热运动将导致大气层逐渐变成均匀体,大气的圈层结构就会完全消失。

同样地,地球内部的圈层结构也起源于外部粒子(或射线)与地球物质的作用。如果没有外部输入的能量的维持,地球的内部圈层结构就不可能形成,并在漫长的地质年代保持相对稳定。那么,是什么粒子或者宇宙射线能深入到地球内部并且供给地球能量呢?它,就是太阳中微子。

我们知道,中微子与中子有许多相似之处,如二者都呈电中性,自旋均为1/2,穿透力都很强等等。据此,中微子地球演化理论认为,中微子有如中子相似的特性,即高频率(或快)中微子很难与物质作用,但低频率的(或慢)中微子则能被物质大幅度吸收。这样,来自太阳的快中微子进入地球后,就被地球物质散射、减速而消耗能量,慢慢地就变成频率或速度与原子核中的中微子相近的慢(热)中微子,最后被地球物质吸收,并释放能量。

由于太阳中微子的速度(能量)不同,而且各种能量的太阳中微子的分布也不均匀,即处于某种能量的中微子相对多一些,而处在另一种能量的中微子则要少一些,所以它们被减速、吸收的位置和形成的热效应也不一样,于是就形成了地球内部的圈层结构。少量太阳中微子能量较低,经过岩石圈减速就变成了慢(热)中微子,并与岩石圈以下的物质作用,释放一定能量,使少量物质熔融,形成软流层。

由于中微子有磁距,所以中微子快速度运动时,必然产生电磁场,辐射到周围,同时中微子在海洋中的运动速度等于(或接近)光速,大于光在海水中的传播速度(光在海水中的传播速度为u=c/n=c/1.333=0.75c,其中,c为真空中的光速,n是光在水中的折射率)。于是,在透明的海水中产生契伦科夫辐射,消耗部分能量。这是中微子除了被物质的原子与电子等散射外而额外消耗的能量。所以,在大洋下面,中微子经过较短的距离就能够变成慢(热)中微子,被物质吸收,释放能量,导致洋壳较陆壳薄,大洋下面的软流层上移。

多数快中微子必须经过整个岩石圈和地幔才能被减速成慢(热)中微子,在地表以下2900—5050公里处被吸收,释放巨大能量,导致物质熔融,形成液态外核。液态外核产生磁场,进一步加剧中微子的减速和吸收,释放更大的能量,这个能量又加剧了外核的熔融,这就是液态外核形成的根本原因。外核的运动进一步地导致了地球板块的运动和地球磁场的形成。

3.天体吸收中微子的基本条件

中微子之所以能够被地球物质吸收,其原因就在于它入射地球后,被地球物质的原子和电子散射,消耗了能量。对于一般天体而言,它们的原子和电子同样能散射中微子,消耗中微子的能量,因而中微子也应该能够被天体物质吸收。

当然,中微子被天体物质大幅度吸收必须满足一定的条件,那就是天体中必须有足够的原子和电子散射中微子,使中微子减速变成易于被物质吸收的慢中微子。要保证有足够多的原子和电子,其一,天体的直径(或体积)必须满足一定的值;其二,天体的密度不能太小。如果天体的直径太短,密度太小,那么当中微子穿过天体时,与中微子作用的原子和电子的数量就不够多,中微子的能量消耗就不足以使其变成易于被吸收的慢中微子。这时,中微子就会畅通无阻地穿过天体而不被吸收。如果天体的直径和密度达到一定值,使得与中微子发生作用(散射)的原子和电子足够多,那么中微子就可以被减速变成慢中微子,从而被天体物质吸收。因此中微子被天体物质吸收的条件是,天体的直径和密度必须达到一定的值。这里我们可以用天体的直径(D)与密度(ρ)的乘积(D∙ρ)来表示,即天体能够大幅度吸收中微子的条件是:

D∙ρ≥K

其中K为某一定值,也就是天体大幅度吸收中微子的临界值。

对于地球来说,我们已经知道,其大幅度吸收中微子的地方在地表下2900—5050km的外核。2900km是地幔与外核的交界处,也是中微子在地球内部的最小射程,地幔的平均密度为4400kg/m3,所以可以求得上述临界值为:

K= D∙ρ=2900km×4400kg/m3=127亿kg/m2

为了便于与下面的临界值区分,这里我们称K为小临界值。

由于中微子在外核基本被全部吸收了,所以中微子在地球内部的最大射程是距地表5050km的外核与内核交界处,外核的密度为10900kg/m3,所以中微子在天体内部被全部吸收的临界值为:

K′= D∙ρ=2900km×4400kg/m3+(2900-5050)km×10900kg/m3

   =361亿kg/m2     这里K′为大临界值。

如果某一天体的直径与其密度的乘积界于小临界值K与大临界值K′之间,那么可以预见,中微子从一侧进入天体,就会在天体另一侧的表面与物质发生作用,引起天体表面物质熔融,从而在该天体的表面留下痕迹。

4.对月球之谜的解释

月球的平均密度为3034 kg/m3,直径为3476 km,所以其K值为:

K= D∙ρ=3476 km×3034 kg/m3=116亿kg/m2

这个数值比天体吸收中微子的小临界值127亿kg/m2要小一些。所以,仅仅从这个数值上看,月球不会吸收中微子。然而,上述计算中,我们采用的都是平均值,所以得到的K值(116亿kg/m2)也是平均值。也就是说,实际的月球上,有的地方的K值低于116亿kg/m2,有的地方的K值高于116亿kg/m2,而与天体吸收中微子的小临界值127亿kg/m2相当。所以,在K值高于116亿kg/m2的地方,也就是在月球物质密度和直径较大的地方,当太阳中微子从月球的一面进入月球,经过月球内部物质的散射、减速,到达另一面时,就会被月球表面物质吸收,并释放热量,致使月表物质熔融。

熔融物质向下渗透,引起表面物质坍陷,于是就形成了所谓的环形山构造。由于太阳和月球的运动,中微子的辐射不可能在某一地点保持不变,当太阳和月球的位子发生变化厚后,原来发生熔融地方的中微子辐射就会减少,这时此处物质对中微子的吸收便逐渐终止,熔融的物质也开始凝固。然而,经过一个周期后,太阳和月球又会回到原来的相对位置,于是太阳中微子又在此处被物质吸收放热,导致物质熔融,并再次引起表面物质坍陷,如此反复多次,就在月球表面形成了许多同心环结构。这种同心环结构是火山喷发和撞击作用所无法形成的。

在太阳、地球和月球组成的大系统中,到达月球的太阳中微子数量会受到地球的影响。当月球处在太阳和地球之间时,地球不会影响月球对太阳中微子的吸收,此时太阳中微子会从月球面对太阳的一面进入月球,在月球面对地球的一面(正面)引起反应;当地球处在太阳和月球之间时,太阳中微子在飞向月球时,要经过地球,被地球拦截一部分,然后从月球面对地球的一面进入月球,在月球另一面(背面)引起反应,所以,在月球背面与月面物质作用的太阳中微子比在月球正面与月球作用的太阳中微子要少一些。因此,月球正面物质熔融的规模便大一些,次数也要多一些,而月球背面物质熔融的规模则要小一些,次数也相当少一些。(月球正面)熔融的规模大、次数多,就会使环形山相互连接成片,并使多此熔融的物质变的更加致密,这就形成了月海。由此可见,月海和环形山具有相同的形成机理。(月球背面)熔融的规模小、次数少,则能较好地保持环形山彼此分离。这就好像我们用榔头夯地,夯的次数不多时,地面上留下的便是一个一个的坑,当夯的次数足够多时,一个一个的坑就消失了,继而变成了一片洼地。这就是为什么月海多集中在月球正面,而环形山则集中在月球背面的原因。

月海既然是经过多次反复熔融而形成的洼地,那么,毫无疑问,此处的物质肯定比其它,地方的物质更加致密。研究发现,月海比相邻的陆地平均要低2—3公里,这就是说,月海被太阳中微子释放的能量"夯"低了2—3公里,所以,月海下面实际包含了相当于2—3公里厚的月球陆地物质,因此月海下面"长"着名副其实的"质量瘤"。由于月海是经过多次熔融而形成的,易熔的物质将下渗,易挥发的物质将逃逸,所以月海表面留下的多半是难以熔融和挥发的钛、铬、锆等耐高温的化合物。

月球在形成初期,基本上是一个均质体,也就是说,它的内部和表面的物质密度基本一相同。但是,由于太阳中微子将月球表面物质"夯实"了许多,所以导致月球的表面物质密度大于其内部的物质密度。这就给人月球内部有空洞的感觉。

当然,环形山和月海的形成,决非一日之功,而是日积月累的结果,直到现在一些环形山也应海在形成之中。环形山的形成过程是一个剧烈反应和大面积物质熔融的过程,在这个规模宏大的过程这中,必定会产生放电现象,发出各种可见光。同时,物质的熔融必然会导致大量气体释放,形成雾气。由于这种物质熔融和发光等现象是由太阳中微子所引起的,当太阳和月球的相对位置发生变化后,这一现象即告终止,所以,物质熔融和发光等现象都比较短暂。这就是月球发光等短暂现象的来源。

当然,月球物质熔融随时都在发生,环形山也在不断地形成之中,但是,所有这些发生在月球上的事件,大都不能被人们所观察到,只有极少数发出明亮光芒的事件才为人们所觉察。

5.结论

月球跟地球一样,也在不断地演化。月球上许多令人不解的现象,是月球不断演化的结果。月球演化的能量与地球一样,也来自太阳中微子,太阳中微子与月球表面物质的作用,导致了月球环形山、月海、集质和空洞的形成以及月球发光现象的产生。

参考文献:

1、  中国大百科全书(天文学).北京:中国大百科全书出版社,1980。

2、  中国科学院贵州地球化学研究所编,月质学研究进展.北京:科学出版社,1977。
3、  S.J.英格利斯,行星、恒星、星系.北京:科学出版社,1979。

4、张国文,中微子地球演化说——探索地球起源与演化的奥秘,武汉:武汉测绘科技大学出版社,1999。

5、刘德明,月球新探.《地球》,2002年第5期,第45页。

文章引用自:原创

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