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【前沿報道】Nature:火衛一軌道演化揭示火星流變學和熱歷史
2019-06-10 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

-軌道耦合是火星與其衛星間潮汐相互作用的結果,最新研究提出利用圍繞火星運行的火衛一(福波斯)的軌道演化數據來約束火星的流變性質與熱演化歷史。 

  相比火星表面,人類對火星內部結構及演化知之甚少。近期的火山活動證據表明,火星深部仍保持高溫和對流冷卻狀態。以往的研究一般通過參量化對流模型來模擬計算火星熱演化歷史(如Hauck and Phillips, 2002)。然而,火星的冷卻速度同時受其初始熱狀態和流變學(粘度)控制:初始熱狀態代表了行星必須疏散的能量,而流變學控制著熱量從行星內部傳遞并最終散失到太空的效率。由于地球上有冰川,可以通過對冰川后反彈研究來估計地球地幔的粘度。但火星上沒有這些記錄,無法進行類似的研究。雖然高溫高壓實驗能推斷出地幔的粘度,但這些實驗是在非常小的樣品上進行的,需要大量的外推,從而導致不確定性。而且,溫度與粘度這兩個控制參數并不相互獨立,粘度是依賴于溫度的函數,它們之間的相互依賴性導致即使采用不同的地幔流變學,仍可以得到相同的現今熱狀態。由于數值模擬結果缺乏有效的約束,嚴重制約了火星內部的動力學歷史重建及其結構研究。 

  法國巴黎地球物理學院(IPGPSamuel et al. (2019) 近日在Nature上發表了他們的最新成果,提出利用火衛一(福波斯) 的軌道演化來約束火星流變學和熱歷史(圖1)。 

1 探索火星與火衛一的熱-軌道演化。初始地幔溫度Tm0 =1800 K, 初始地核溫度Tc0 = 2200 K,活化體積V*= 0 cm3 mol1。(ad.現今值;(eh.時間平均和定時值。每個圖板代表在不同地幔參考粘度0)、有效(E*)或位錯蠕變(Edisl=E/3.5)活化能情況下4096個熱化學和軌道演化。efh中的黑色曲線分別描繪的是Amazonian– Hesperian長期冷卻的臨界值(100–140 K)、早期火星熱發動機的解以及火衛一到達同步軌道的(反向)時間。 h中的虛線代表時間平均的Q = 82. a–d中的黑色等值線代表滿足熱、磁和軌道約束的解

  火衛一是火星最近的衛星,呈土豆形狀,在萬有引力作用下圍繞火星運行,其飛行軌跡稱為衛星軌道。潮汐力正不斷地使它的軌道越變越小(最近的統計數字表明,它正以每百年1.8米的速度在減小)。另外,關于火衛一起源也是未解之謎,大多認為是捕捉到的小行星,也有一些人認為它們是起源于太陽系外的,而不是來自于小行星帶。 

  衛星會施加變形引力,使得軌道物體表面產生一個潮汐凸起。如果行星不是純粹的彈性介質而是粘性衰減,那么凸起部分不會與行星和衛星的方向對齊而形成一個角度,衛星軌道會發生變化。在地球上,潮汐是由月球太陽的引力場對地球造成的畸變引起,海水在月球和太陽引潮力作用下產生的周期性漲落。由于地球的古海水深尚不清楚,利用月球的長期軌道演化來約束地球的歷史是不可能的。然而,對于火星-衛星,這種潮汐相互作用反映在粘性變形,主要受火星的二次愛數(degree-two Love number(k2)與其潮汐品質因子的比值控制。其軌道演化模型對火星的熱參數和流變參數非常敏感,軌道的變化主要受火星熱化學演變的控制。因此,軌道演化將成為一個強有力的工具,結合其他約束條件,可以推斷火星的流變學和熱歷史。  

  火星主要圈層包括液態金屬核,均勻硅酸鹽成分的對流地幔和不斷演化的非均勻巖石圈。巖石圈包括富含放射性元素的地殼。基于火星衛星早期起源的假設以及火星和火衛一之間的關系,Samuel et al. (2019)研究發現最初的火星比現在的溫度要高100~200K,而且它的地幔以位錯蠕變機制緩慢變形。這相當于1022.2±0.5Pa s的參考粘度,以及粘度對溫壓中等到偏弱的本證靈敏度。目前的方法預測火星現今地殼平均厚度為40±25 km,地表熱流值為20±1mW/m2。如果將這些預測結果與未來的以及正在進行的太空任務(如“InSight”)獲得的數據相結合,可以進一步減少火星熱-流變歷史的不確定性,并有助于發現火衛一的起源。     

  主要參考文獻 

  Hauck S A, Phillips R J. Thermal and crustal evolution of Mars[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2002, 107(E7): 6-1-6-19.原文鏈接 

  Samuel H, Lognonné P, Panning M, et al. The rheology and thermal history of Mars revealed by the orbital evolution of Phobos[J]. Nature, 2019, 569(7757): 523-527.原文鏈接     

  (撰稿:何麗娟/巖石圈室) 

 
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