贵阳分部广州分部
网站地图联系我们所长信箱建议留言内部网English中国科学院
 
 
首页概况简介机构设置研究队伍科研成果实验观测合作交流研究生教育学会学报图书馆党群工作创新文化科学传播信息公开
  新闻动态
  您现在的位置:首页 > 新闻动态 > 学术前沿
【前沿报道】Nature:火卫一轨道演化揭示火星流变学和热历史
2019-06-10 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

-轨道耦合是火星与其卫星间潮汐相互作用的结果,最新研究提出利用围绕火星运行的火卫一(福波斯)的轨道演化数据来约束火星的流变性质与热演化历史。 

  相比火星表面,人类对火星内部结构及演化知之甚少。近期的火?#20132;?#21160;证据表明,火星深部仍保持高温和对流冷却状态。以往的研究一般通过参量化对流模型来模拟计算火星热演化历史(如Hauck and Phillips, 2002)。然而,火星的冷却速度同时受其初始热状态和流变学(粘度)控制:初始热状态代表了行星必须疏散的能量,而流变学控制着热量从行星内部传递并最终散失?#25945;?#31354;的效率。由于地球上有冰川,可以通过对冰川后反弹研究来估计地球地幔的粘度。但火星上没有这些记录,无法进行类似的研究。虽然高温高压实验能推断出地幔的粘度,但这些实验是在非常小的样品上进行的,需要大量的外推,从而导致不确定性。而且,温度与粘度这两个控制?#38382;?#24182;不相互独立,粘度是依赖于温度的函数,它们之间的相互依赖性导?#24405;词?#37319;用不同的地幔流变学,仍可以得到相同的现今热状态。由于数?#30340;?#25311;结果缺乏?#34892;?#30340;约束,?#29616;?#21046;约了火星内部的动力学历史重建及其结构研究。 

  法国巴黎地球物理学院(IPGPSamuel et al. (2019) 近日在Nature上发表了他们的最新成果,提出利用火卫一(福波斯) 的轨道演化来约束火星流变学和热历史(图1)。 

1 探索火星与火卫一的热-轨道演化。初始地幔温度Tm0 =1800 K, 初始地?#23435;?#24230;Tc0 = 2200 K,活化体积V*= 0 cm3 mol1。(ad.现今值;(eh.时间平均和定时值。每个图板代表在不同地幔参考粘度0)、?#34892;В?/span>E*)或位错蠕变(Edisl=E/3.5)活化能情况下4096个热化学和轨道演化。efh中的黑色曲线分别描绘的是Amazonian– Hesperian长期冷却的临界值(100–140 K)、早期火星热发动机的解?#32422;?#28779;卫一到达同步轨道的(反向)时间。 h中的虚线代表时间平均的Q = 82. a–d中的黑色等值线代表满足热、磁和轨道约束的解

  火卫一是火星最近的卫星,呈土豆形状,在万有引力作用下围绕火星运行,其飞行轨迹称为卫星轨道。潮汐力正不断地使它的轨道越变越小(最近的统计数字表明,它正以每百年1.8米的速度在减小)。另外,关于火卫一起源也是未解之谜,大多认为是捕捉到的小行星,也有一些人认为它们是起?#20174;?#22826;阳系外的,而不是来自于小行星带。 

  卫星会施加变?#25105;?#21147;,使得轨道物体表面产生一个潮汐凸起。如果行星不是纯粹的弹性介质而是粘?#36816;?#20943;,那么凸起部分不会与行星和卫星的方向对齐而形成一个角度,卫星轨道会发生变化。在地球上,潮汐是由月球太阳的引力场对地球造成的畸变引起,海水在月球和太阳引潮力作用下产生的周期性涨落。由于地球的古海水深尚不清楚,利用月球的长期轨道演化来约束地球的历史是不可能的。然而,对于火星-卫星,这种潮汐相互作用?#20174;?#22312;粘性变形,主要受火星的二次爱数(degree-two Love number(k2)与其潮汐品质因子的比值控制。其轨道演化模型对火星的热?#38382;?#21644;流变?#38382;?#38750;常敏感,轨道的变化主要受火星热化学演变的控制。因此,轨道演化将成为一个强有力的工具,结合其他约束条件,可以推断火星的流变学和热历史。  

  火星主要圈层包括液态金属核,均匀硅酸盐成分的对流地幔和不断演化的非均匀岩石圈。岩石圈包括富含放射性元素的地壳。基于火星卫星早期起源的假设?#32422;?#28779;星和火卫一之间的关系,Samuel et al. (2019)研究发现最初的火星比现在的温度要高100~200K,而且它的地幔以位错蠕变机制缓慢变形。这相当于1022.2±0.5Pa s的参考粘度,?#32422;?#31896;度对温压中等到偏弱的本证灵敏度。目前的方法预测火星现今地壳平均厚度为40±25 km,地表热流值为20±1mW/m2。如果将这些预测结果与未来的?#32422;?#27491;在进行的太空任务(如“InSight?#20445;?#33719;得的数据相结合,可以进一步减少火星热-流变历史的不确定性,并有助于发现火卫一的起源。     

  主要参考文献 

  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.原文链接 

  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.原文链接     

  (撰稿:?#21355;?#23071;/岩石圈室) 

 
地址:?#26412;?#24066;朝阳区北土城西路19号 邮 编:100029 电话:010-82998001 传真:010-62010846
版权所有© 2009- 中国科学院地质与地球物理研究所 京ICP备05029136号 京公网安备110402500032号
迷失拉斯维加斯登陆