艾德思：Nature火卫一轨道演化揭示火星流变学和热历史

{前沿报道}Nature:火卫一轨道演化揭示火星流变学和热历史

热-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.近期的火山活动证据表明,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到太空的效率.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参数并不相互独立,粘度是依赖于温度的函数,它们之间的相互依赖性导致即使采用不同的地幔流变学,仍可以得到相同的现今热状态.由于数值模拟结果缺乏有效的约束,严重制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(IPGP)Samuel 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).

图 1 探索火星与火卫一的热-轨道演化.初始地幔温度 T m0 =1800 K, 初始地核温度 T c0 = 2200 K,活化体积 V* = 0 cm 3 mol ? 1 .(a–d).现今值;(e–h).时间平均和定时值.每个图板代表在不同地幔参考粘度(η0)/有效( E* )或位错蠕变( E disl = E /)活化能情况下4096个热化学和轨道演化.e/f和h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以及火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

火卫一是距火星最近的卫星,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源于太阳系外的,而不是来自于小行星带. 

卫星会施加变形引力,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性衰减,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,潮汐是由月球和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,这种潮汐相互作用反映在粘性变形,主要受火星的二次爱数(degree-two Love number)(k 2 )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参数和流变参数非常敏感,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以及火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10 22.2±0.5 Pa s的参考粘度,以及粘度对温压中等到偏弱的本证灵敏度.目前的方式预测火星现今地壳平均厚度为40±25 km,地表热流值为20±1mW/m 2 .如果将这些预测结果与未来的以及正在进行的太空任务(如"InSight')获得的数据相结合,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.

Samuel H, Lognonn é  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.

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