2013年12月23日 星期一

DDS033-「我們的地球有幾個月亮?(補遺)」

〔附記:中國「嫦娥三號」登月探測任務,於 12 14 日晩 9 11 分,成功著陸於月表高緯度(北緯 43o)的「虹灣(Sinus Iridium)」)漥地,雖然此舉和 1970 年代美、蘇的登月探測,己睽違了近半世紀,但也標幟著近年來中國航天探測科技的不斷躍進和空前成就。「科學」不分種族,也沒有國界,是人類集體文明的結晶,因此,也寄望在不久的將來,有更多來自「玉兔」的探測成果報告問世,能讓我們對這個「月球」有更多的了解。〕

前文 DDS024 DDS025 中,就我們「月亮」,諸多有趣的相關科學問題,做了初步的介紹和說明。其中提到,目前科學家咸信,我們地球這個「月亮」是來自於「撞擊說(the Giant Impact Hypothesis)」,也針對此說法,提出了各種直接、間接的佐證。無獨有偶,今年 9 9 日,在倫敦舉辦的「歐洲行星科學會議(European Planetary Science Congress)」上,Jessica Barnes 和其同僚(論文題目為:Investigating the H2O content and H isotopic composition of the primitive lunar magma ocean (LMO) cumulates),分析來自「阿波羅(Apollo)」探月任務,所採岩石標本(見下圖;creditTom Story, Arizona State University)中的磷灰石礦物(apatite;為來自岩漿熱液火成岩礦物,其主要的化學組成為磷酸鈣),其所含的結晶水,發現這些水的氫同位素(hydrogen isotope)組成,和地球以及「含碳的球粒狀石(carbonaceous chondrite meteorites)」的氫同位素值相似,表示地球和月球兩者的水應屬同源(common origin),進而也佐證了月球,應是來自地球在 45 億年前,所遭受的巨大撞擊而來〔即「撞擊說(the giant impact hypothesis)」;見前文DDS024〕。


儘管如此,在該會議上,美國加州理工學院(Caltech, USA)的 Dave Stevenson教授,針對「月亮」起源的「撞擊說(the giant impact theory)」,提出另一種看法:我們這個「月亮」,是否可能是「地球」向「金星(Venus)」偷來的?他的論點很有意思,他指出:就太陽系行星的「月亮」個數而言,我們「地球」有一個,「火星(Mars)」有兩個,「木星(Jupiter)」有近 50 個,而「金星」卻一個也沒有,因此,他認為我們這個「月亮」很可能是,「地球」從「金星」運轉軌道上硬拉過來的。事實上,這種看法也並非全無可能,首先,因為我們這個「月亮」的體積,相對於其他行星和其月亮的體積大小比而言,實在是太大了〔註一:我們「月亮」的體積約為「地球」的四分之一;註二:事實上,也就是因為它太大了,我們這個「月亮」並不是真正繞「地球」旋轉,而是繞著所謂「月球-地球」系統的「質量中心(barycenter)」運轉,此「質量中心」的位置,約在地表下 1600 公里,離地心約 4,800 公里處;註三:另外,不要忘了,「太陽」雖然離「月亮」更遠,但它對「月亮」的引力,較「地球」為大,造成「月亮」繞「太陽」運行的奇特軌道(參考前文 DDS024 的說明和圖)〕。

同樣地,也是因為它體積太大了,要是依照「撞擊說」的理論,當時(45 億年前)兩個星體碰撞時,兩者不但要有非常高的速度,而且必須在一特定的角度上撞擊,才能造成我們今日所見的「月球-地球」系統,要不然,兩者間的這種撞擊力道和其引發的爆炸能量,早就讓它們粉身碎骨、煙消霧散了。所以,依照 Stevenson 教授的說法:假如「金星」和「地球」的形成方式相似,那為什麼「地球」就有一個「月亮」,而「金星」卻沒有呢?當然,Stevenson教授以上這種說法(即地球從金星把月球偷/搶來的霸佔「惡行」),目前只能說是一種臆測,尚未有其他具體的科學上的事證。

另外,美國航太總署的「月球礦物描繪探測儀(Moon Mineralogy Mapper)」,最近發現在近月球赤道處,有一大小橫跨約 60 公里的凹陷(見下圖;creditNASA),其中曝露出的硬化岩漿中,含有大量的「氫氧根(hydroxyl)」物質,雖然並非真正的「水」,但也表示月球原始岩漿中的水份(magmatic water)。假如真的是如此,這一「岩漿水」的存在,可能進一步影響科學家目前對月球起源的看法。科學就是這麼惱人,新的事證,改變甚或推翻舊的看法,有人甚至說:「科學不是要去發現新的事物,而是要去推翻舊的看法」,宏觀來看整個科學史,的確是如此。


其次,前文 DDS024 也解釋了,由於「潮汐鎖定」的原因,使得「月亮」永遠只有一面朝向地球。也因此,過去出版有關「月球」的照片,都是以其面向地球的一面為主,間或偶有其背面的圖像,從未有過由東、西、南、北四個不同方向拍攝的照片。下圖即是補此不足,依順時鐘方向由左上至右下,分別呈現的是:「月球」面對我們地球的一面、「月球」的東半面、背離地球的一面和它的西半面(creditNASA/GSFC/Arizona State University)。因此,一個有趣的問題是:假如「月亮」不被「地球」鎖定,也能自轉的話,那它看起來是如何呢?針對此好奇,美國航太總署(NASA)的科學團隊,將過去歷年來,由 Lunar Reconnaissance OrbiterLRO) 繞月拍攝所得的照片,剪接濃縮成此一難得的 24 秒動畫短片,讓我們能分享其況,有興趣的讀者,不妨逕自上該網站觀賞:http://www.youtube.com/watch?v=sNUNB6CMnE8&feature=player_embedded#t=0


最後,假如 45 億年前沒那個大撞擊,那今天我們的地球就沒有月亮,而沒有月亮,對地球(特別是我們人類)又有什麼影響呢?首先,你可直覺想到的是:(一)夜晚可沒現在這麼亮了(雖然即使滿月時的亮度,也只有白天日照亮度的四十萬分之一);(二)潮汐就沒那麼壯觀了(大概只剩目前的 40%);(三)也沒有所謂的日、月蝕了;(四)對咱們中國人來說,那些有關月亮的傳說和神話故事,也就不存在了,更慘的是,上班族就沒「中秋節」例假日可放了;(五)我們地球自轉軸的傾斜(axial tilt)角度(見下圖;creditCenter for Mars Exploration, via http://cmex.ihmc.us/) 將會變動的更大。我們知道,目前我們地球自轉軸的傾角為 23.5 度(即與地球繞日公轉的黃道面角度),而在整個天體運動中,此傾角會隨時間略微改變,但其變化幅度都維持在,23 26 度之間〔註:以火星為例,其目前傾角約為 24 度,但其變化範圍卻在 15 35 度之間〕。我們地球自轉軸傾角變化幅度之所以這麼小,主要就是因為月球的存在,它對地球的引力作用,穩定了我們本該變動更大的傾角。


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