21世紀了-人類的這抷土知多少呢？(7-2)
月球是地球的唯一天然衛星，它在環繞地球轉動的同時，又跟地球一起繞太陽公轉。在太陽系的各行星-衛星體系中，地-月系的顯著特點是它們的相對大小和品質都最大，可謂“雙行星”。航太時代以來，月球是人類首先探訪的天體，近年再次掀起探測研究月球的高潮，其重要目的是射入探索月球的起源和演化。
關於月球起源的問題曾有很大爭論，提出的月球起源假說很多，大致可分為三類：(1)分裂說，認為月球是從地球外部分裂出去的：(2)俘獲說，認為月球原是繞太陽公轉的行星，走近地球時被俘獲為衛星；(3)雙星(吸積)說，認為由同一個彌漫星雲物質聚集成地球和月球。每類假說都可找到一些觀測資料來作證，但也遇到不少困難。月球起源研究也必然‘與時俱進’，揚棄不且實際假說，而合理的學說應相容更多的觀測事實。
近30年來，公認的月球起源學說是碰撞說，有幾個研究組分別作了電腦的數值類比。這類學說的要點如下：原始太陽星雲物質先聚集成大大小小的固體星子，再聚集形成行星。地球剛形成不久，受到一個約地球品質百分之十四的大星子（撞擊體）的巨大碰撞，這時地球和該撞擊體都已分異而形成金屬的星核和矽酸鹽的星幔，碰撞造成撞擊體瓦解，其金屬星核被地球吸積，而其幔物質以及部分地球物質拋射出去，這些熱物質很快（約一天！）就聚集形成月球。
這一假說較好地解釋月球的軌道性質及其它資料；例如，由幔物質形成的月球必然有較小的平均密度，碰撞拋出的熱物質形成的月球必然缺乏揮發元素，而富含難熔元素，從而說明月球與地球的成分差別。根據月球樣品的放射同位素年代測量，月球形成約在45.5億年前，即地球剛形成不久。月球的這種形成過程不同於其他行星的多數衛星。多數衛星的形成過程基本是行星形成過程的小規模重演，即在行星周圍的氣體-星子盤內聚集形成的。
地球已經歷46億年嚴重的演化，地球表面的百分之九十八是後半期形成的，百分之九十是近6億年內形成的，早期遺跡已喪失殆盡。因此，很難從地球自身資料來研究其形成和早期演化。然而，月球則保留著一些早期演化遺跡，不僅可以揭示月球的演化歷史，也為探討地球早期演化提供線索。
近40年來，先後已有幾十個飛船探測月球，還有12位宇航員登上月球，采回380多公斤月球樣品，在地球實驗室進行了仔細分析研究，獲得月球的大量新資料，綜合分析研究這些寶貴資料，可以較清楚地勾畫出月球演化史輪廓。
月球形成後，最初至少是外部熔融的，其熱量來源有星子聚集時釋放的引力勢能、短壽期放射性元素的衰變能、地球作用的潮汐能等。月球很快發生重力分異而形成月殼、月幔和較小的月核。大約經1～2億年，月球外部冷凝為固態月殼。由於當時月球離地球近，受地球的引潮力作用很強而產生應力，導致形成月球網格構造體系。
在距今43到38億年時期，殘餘大星子(或小行星、彗星)隕擊月殼，開掘出大的多環盆地。此時月球岩石圈仍較薄且剛性較差，盆地邊緣構造(例如亞平寧等山脈)幾乎處於重力均衡狀態。放射性同位素年齡表明，40～41億年之前，克裏普（含鉀、稀土元素和磷較多）岩漿開始侵入並延續到雨海系中期，部分地跟月海火山活動同期。此嚴重隕擊期又按前後次序分為前酒海系、酒海系，產生30多個盆地及許多20公里以上的大隕擊坑。此時期也有火山活動，但尚不清楚火山活動的程度。開掘雨誨的災難性隕擊事件改變了月球正面，濺出物沉積層成為弗拉摩羅建造。此時期末的大隕擊事件開掘東海盆地，形成其周圍山脈環及濺出物沉積建造。
距今39～31億年，是月海玄武岩填充盆地時期(雨海系)。月海玄武岩來自深部150～450公里的部分熔融物質，其密度比月殼密度大，因而被玄武岩填充的月海盆地呈現品質瘤或重力正異常。品質瘤能保存至今，說明月球岩石圈自那時就有足夠厚度和剛性來支撐品質瘤。月海玄武岩都有一定年齡範圍，說明每個月海填充持續幾億年。月海盆地的形成與玄武岩的最後填充之間有一段時期，表現為此期內的隕擊坑(如，雨海中阿基米德坑)被後來玄武岩覆蓋。熔岩噴發與填充不是一次連續的，而是有幾次。早期的月海玄武岩富含鎂，以後各種成分都有，最後是鈦含量高的玄武岩。各月海玄武岩源區的成分不同，這反映了月幔成分的不均勻性。
雖然填充大盆地延續了8億年(39～31億年前)，但某些月海區的火山活動甚至延續到距今25億年，此時期的隕擊逐漸減少。線狀月溪僅出現在較老月海內及鄰近高地上，它們大致在距今36億年形成。另一方面，月海脊交切最年輕的月海玄武岩沉積，其形成繼續到距今30億年乃至更近。有人認為，距今約36億年月球從膨脹轉為全面冷卻收縮，使全月球的水準熱應力變化，導致終止線狀月溪的形成，而月海脊的形成延續更久。
月海火山活動在30億年前就基本停止了，但某些區域仍可延續久些。雖然隕擊比以前少了，但仍然為主要地質作用，後期的隕擊改造以前的月貌，包括侵蝕較老隕擊坑。距今3l～8億年是月球地質過程逐漸消失的愛拉托遜系。此後進入哥白尼系，月球表面主要受太陽風和微流星體隕擊侵蝕，僅偶而發生中等的隕擊事件，形成有輻射紋的新隕擊坑(如，哥白尼坑，第穀坑)，並發生塊體坡移。現在的月球有剛性強的岩石圈，厚度達1000公里，月球表面是岩屑和塵的月壤層，月球幾乎停止地質活動，僅因潮汐應力而發生震級小的月震。
月球形成後不久，一顆小行星撞擊了它的南半球，開掘出一個巨大的隕擊坑——南極區艾特肯（Aitken）盆地，其直徑約2400公里，深度超過8公里。它是月球上最深的隕擊坑，暴露出古月球的秘密。這次撞擊沖進了月球外殼層，拋出的大量物質散佈月球表面，一部分逃逸到太空。撞擊產生的巨大熱量也熔融部分坑底而成為熔岩的海洋。
這只是一個開端。在四十多億年中，大量的小行星和彗星先後撞擊月球，在其表面留下密密麻麻的各種規模隕擊坑疤痕，覆蓋著撞擊拋出物的凝固熔岩、礫石和灰塵。很少見到原來的月球表面或月殼，而更難瞥見月殼深部。幸運的是，在南極區艾特肯盆地邊緣的一個隕擊坑可以提供瞭解深部的機會。阿波羅盆地是一顆較小的小行星在後來的撞擊形成的，但它仍有可觀的大小——直徑約482.8公里。
在印度飛船錢德拉1號上載有美國宇航局的月球礦物繪圖儀，這是它攝製的阿波羅盆地三幅圖像。右邊的偽彩圖像揭示物質成分，藍色的是貧鐵的表面區（高地月殼），其他顏色（水鴨色、黃色、橙黃）是深部含鐵較多的礦物。
在2010年3月4日舉行的月球和行星科學會議上，月球礦物繪圖儀（M3）小組的皮特羅（Petro）提出他們的研究成果，他說：“這就像去您的地下室，挖個深洞。我們相信，在阿波羅盆地中部的一部分可能暴露了月球的下地殼一部分，如果這是正確的，這只是在月球上很少可以看到月殼深部的地方之一，因為它沒有象許多其他深部區那樣覆蓋火山物質。正如地質學家通過分析一個峽谷或道路切割而暴露的岩層斷面，就可以重新構建地球歷史，我們可以研究阿波羅盆地暴露的深部情況，開始瞭解月球的早期歷史。”
圖像分析揭示，阿波羅盆地一部分有類似于南極艾特肯（SPA）盆地內的撞擊熔融成分。月球更深部有含鐵多的礦物。在月球形成時，它的大部分是熔融的，。含鐵等重元素的礦物向中心下沉，含矽、鉀、鈉等較輕元素的礦物上浮並凝固而形成原始月殼。
皮特羅說：“這顆小行星撞擊產生SPA盆地，可能穿透了月殼而到了上月幔。撞擊熔融物凝固而形成SPA盆地底部中央可能是這些層的混合物。我們期望看到，它比阿波羅盆地的底部略微富鐵，因為它穿到更深處。這正是我們用M3發現的。然而，我們也看到，阿波羅盆地比周圍月球高地富含鐵，表明阿波羅盆地揭露了典型月球表面與類似SPA最深坑之間月殼層。
由阿波羅盆地暴露的較下月殼能夠免於產生SPA那次撞擊而倖存下來，可能由於它在SPA邊緣，離撞擊發生地幾百公里。根據SPA與阿波羅盆地頂上都疊加有大量小隕擊坑，估計它們都是在最古老的月球隕擊坑之列。隨著時間的推移，老隕擊坑上覆蓋著新隕擊坑，所以隕擊坑計數提供相對年齡。隕擊破壞月殼，形成破碎岩石和塵埃覆蓋層——月壤。
雖然阿波羅盆地是古老的並覆蓋著月壤，但它仍然提供下月殼的有益情況，，因為後來的較小流星體撞擊產生的月壤沒有散佈多遠。皮特羅說：“月壤形成的計算表明，至少50%的月壤是局部區域產生的，所以，雖然我們M3看到的仍主要是下月殼。”很可能地球也不能倖免月球那樣的小行星狂轟爛炸。其他太陽系天體，包括水星和火星，都有一些巨大的隕擊坑，說明它們普遍地經歷過嚴重隕擊。然而，地球上的撞擊遺跡大多早已喪失，因為後期的嚴重演化，地殼板塊構巡迴和風雨風化等過程消掉了古撞擊坑遺跡。皮特羅說：“阿波羅盆地和SPA讓我們見到月球早期歷史的‘視窗’，月球也給我們瞭解地球早期激烈演變的視窗。”
現代的許多研究表明月球的形成比較大的可能性是傾向于共同形成說。從地月系統來看，地球是中心天體，月球是地球的衛星。因此，地球的演化歷史決不會短於月球的演化史；此外，月球表面沒有大量的矽鋁質岩石，否定了地殼物質分出一部分形成月球，而同時在地球上形成大洋盆地的學說。根據對阿波羅11號帶回的月球岩石樣品的元素分析，以及對岩石樣品中的鈾——釷——鈷系同位素的分析結果比較有利於地球和月球作為一個行星——衛星系統的共同形成說。月球玄武岩中化學元素的豐度同地球玄武岩中元素的豐度的對比研究表明，月球玄武岩的元素豐度更接近于地球的豐度，而不是接近于宇宙的豐度。同時，月球樣品中氧的同位素組成與地球上氧同位素的組成沒有什麼區別。
由此得出結論，月球與地球是在太陽系的同一區域內形成的，這就排除了月球是在距地球相當遠的地方形成的可能性，這對"俘獲說"是個否定。因此，現代的許多研究已經有越來越多的證據說明共同形成說有比較大的可能性。從一般性的討論也可看出，月球由圍繞原始地球的星子及其它物質顆粒和氣體吸積而形成的模式，要比地球俘獲月球和地球分出物質形成月球的模式更為合理些。
月球表面上古老的高地的構造特徵，證明月球在40～46億年間曾遭受了強烈的隕擊作用；當然對地球來說也可能如此。此外，我們不能排除，在46億年以前的演化時期，地月系統曾遭受到強烈隕擊作用的可能性。因此，在整個天文演化時期內，地月系統所可能發生的巨大隕擊體的撞擊與俘獲，對地月系的運動狀態和本身結構狀態會造成的重大影響。
地球磁場，簡言之是偶極型的，近似於把一個磁鐵棒放到地球中心，使它的Ｎ極大體上對著南極而產生的磁場形狀。當然，地球中心並沒有磁鐵棒，而是通過電流在導電液體核中流動的發電機效應產生磁場的。地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響，太空船就已經探測到太陽風的存在。太陽風是從太陽日冕層向行星際空間拋射出的高溫高速低密度的粒子流，主要成分是電離氫和電離氦。
因為太陽風是一種等離子體，所以它也有磁場，太陽風磁場對地球磁場施加作用，好像要把地球磁場從地球上吹走似的。儘管這樣，地球磁場仍有效地阻止了太陽風長驅直入。在地球磁場的反抗下，太陽風繞過地球磁場，繼續向前運動，於是形成了一個被太陽風包圍的、慧星狀的地球磁場區域，這就是磁層。
地球磁層位於地面600～1000公里高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面5～7萬公里。在太陽風的壓縮下，地球磁力線向背著太陽一面的空間延伸得很遠，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個特殊的介面，在介面兩邊，磁力線突然改變方向，此介面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微，厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線向著地球，南面的磁力線離開地球。
1967年發現，在中性片兩側約10個地球半徑的範圍裏，充滿了密度較大的等離子體，這一區域稱作等離子體片。當太陽活動劇烈時，等離子片中的高能粒子增多，並且快速地沿磁力線向地球極區沉降，於是便出現了千資百態、絢麗多彩的極光。由於太陽風以高速接近地球磁場的邊緣，便形成了一個無碰撞的地球弓形激波的波陣面。波陣面與磁層頂之間的過渡區叫做磁鞘，厚度為3～4個地球半徑。地球磁層是一個頗為複雜的問題，其中的物理機制有待於深入研究。磁層這一概念近來已從地球擴展到其他行星。甚至有人認為中子星和活動星系核也具有磁層特徵。
早在20世紀初，就有人提出太陽在不停地發出帶電粒子，這些粒子被地球磁場俘獲，束縛在離地表一定距離的高空形成一條帶電粒子帶。50年代末60年代初，美國科學家范艾倫根據“探險者”1號、3號、4號的觀測資料證實了這條輻射帶的存在，確定了它的結構和範圍，並發現其外面還有另一條帶電粒子帶，於是離地面較近的輻射帶稱為內輻射帶，離地面較遠的稱為外輻射帶，因是範艾倫最先發現的，故又稱為內範艾倫帶和外範艾倫帶。
這兩條地球輻射帶對稱於地球赤道排列，且只存在於低磁緯地區上空。內輻射帶的中心約在1.5個地球半徑，範圍限於磁緯±40°之間，東西半球不對稱，西半球起始高度低於東半球，帶內含有能量為50兆電子伏的質子和能量大於30兆電子伏的電子。外輻射帶位於地面上空約2～3個地球半徑處，厚約6000公里，範圍可延伸到磁緯50°～60°處，其中的帶電粒子能量比內帶小。一般說來，在內輻射帶裏容易測得高能質子，在外輻射帶裏容易測得高能電子。
地球輻射帶是空間探測時代的第一項重大天文發現。1992年2月初，美國和俄羅斯的空間科學家宣佈，他們發現了地球的第三條輻射帶。新輻射帶位於內外範艾倫帶當中的位置，是由所謂的反常宇宙線——大部分是丟失一個電子的氧離子構成的。
晝夜是白天和黑夜的合稱。晝夜交替是地球在太陽光的照射下，因自轉運動而形成的一種自然現象。我們生活的地球是以半個球面向著太陽，另外半個球面背向太陽，待在向著太陽的半個球面的人就是生活在白天，而待在背向太陽的半個球面上的人則生活在黑夜。由於地球在不停地自轉著，造成地球上每一個地方都有白天和黑夜的交替。
科學家在美國地球物理學會的一次會議上說，在液態地核之內的地球中心是固態的，從而首次為地質界長期信奉的一項理論提供了直接的證據。這一研究結果是通過對1996年6月發生在印尼地下約600公里處的一次大地震的震波進行分析後得出的。科學家長期以來一直在尋找這一從未被證實過的推測性結論的證據。科學家們知道地球是漂浮在融化態的鐵質地核上的岩質外罩已有一段時間了，不過地球物理學家還推測認為，在地球內部更深的地方，由於壓力很大，這些鐵變成了固體。
在30年代的時候，地震學家發現穿過地心的地震波的速度存在著不連續性，並提出了地球核心存在著某種層狀結構的假設。然而問題在於波傳播的是液體、而非固體的識別特徵。奧卡爾說，固體與液體的區別在於固體能夠維持兩種不同類型的波的進行，而液體只能維持一種波。以前人們只觀察到來自地核的帶有液體識別特徵的第一類波。但是，奧卡爾和他的法國同事伊夫·坎西利用法國各地的地震檢測網對印尼的地震進行了研究，並且首次探測到了地震波中的固體識別特徵。奧卡爾稱這一發現對材料科學領域的研究具有價值，因為它表明鐵在巨大的壓力下表現出了獨特的特性。
在我們賴以生存的地球上，科學家們在最寒冷、最酷熱、最不適合生命存在的地方都找到了生命的痕跡。下一步，科學家們將探尋生命的目標瞄向了火星、土衛六及其它地外天體。近年來，數枚像“凱西尼號”這樣的星際探測器向我們不斷展現著地外風景，在太陽系內尋找生命的活動也達到了一個新的水準。但如果我們不瞭解地球生命繁衍生息的秘密，那麼我們就無法有清晰的思路在太陽系甚至更遠的地方去探尋生命的蹤跡。地球生命是如何產生的？(續)
