火衛一軌道演化揭露火星流變學和熱歷史


熱-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(Phobos)的軌道演化數據來約束火星的流變(rheology)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顯示,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。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並最終散失到太空的效率。由於地球上有冰川,可以通過對冰川後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並不相互獨立,粘度是依賴於溫度的函數,它們之間的相互依賴性導致即使採用不同的地幔流變學,仍可以得到相同的現今熱狀態。由於數值模擬結果缺乏有效的約束,嚴重製約了火星內部的動力學歷史重建及其結構研究。

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,關於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於太陽系外的,而不是來自於小行星帶。

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,那麼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,潮汐是由月球和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。由於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,對於火星-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)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,均勻矽酸鹽成分的對流地幔和不斷演化的非均勻岩石圈。岩石圈包括富含放射性元素的地殼。基於火星衛星早期起源的假設以及火星和火衛一之間的關係,研究發現最初的火星比現在的溫度要高100至200K,而且它的地幔以位錯蠕變機制緩慢變形。這相當於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公里,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,並有助於發現火衛一的起源。

【圖、文:節錄自中國科學院地質與地球物理研究所網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的《自然》期刊

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