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Apr. 27 2020

月球將遠古地球壓成一顆馬鈴薯?!

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  • 從國際太空站(International Space Station)所見月球從地球上方落下的樣子。PHOTOGRAPH BY REID WISEMAN, NASA

月球在一開始形成的時候,與地球的距離比現在還要近的多,這造成了包括地球急速自轉和詭異外形的種種奇特後果。

在大約45億年前,一場災難性的撞擊從剛成形的地球撞出一堆碎石,創造出了月球。許多地球科學家認為當時的地球相當乏善可陳,熔岩偶爾會從廣袤的地殼滲出。地球上更加複雜的地質特徵,還得等上很長的一段時間才會形成。

不過,根據一項新的模型顯示,當時年輕的月球以超近的距離繞著地球飛速旋轉,對我們才剛成形的家園產生了非常奇特的重大影響。

那時月球與地球的距離比現在近了30倍。新的計算發現,二者的超近距離打破了地球和月球的軌道平衡,最後導致地球的自轉速度加快,地球因此被拉伸成介於橄欖球和雙面飛盤之間的形狀。

當時形狀怪異的地球正經歷劇烈的造山運動和火山活動,這些地質活動有可能產生各種複雜的岩石和礦物,甚至包括構成地球陸塊的岩石雛形。

「在地球才剛形成的數千萬年間,所有的事情都瞬息萬變,」這項新研究的合作者──加州理工學院的行星科學家、西蒙.洛克(Simon Lock)說:「那是個與我們過去想像中完全不同的世界。」

雖然這項新模型尚未經過同儕審查,但有好幾位專家認為這項研究有很多可取之處。並未參與此項研究的倫敦自然歷史博物館行星科學教授莎拉.羅素(Sara Russell)表示,地球曾經一度形似馬鈴薯的想法可能讓人覺得非常怪異。不過,遠古月球的確可能是塑造地球的最早地質工程師之一。

她表示道:「我以前從來沒聽說過這樣的想法,這真是令人難以置信。」

漫長的時間

岩石記錄了地球形成過程的歷史。不過,流動的空氣、冰和水會侵蝕古老的岩石,而深入水下的海溝也會破壞古老的地殼。這所有的地質活動代表地球大部分的地質歷史都已經消失殆盡。我們對地球形成之初的那段時期所知甚少,但地質學家通常認為地球在好長的一段時間裡都有點乏味:在火山灰霧濛濛的天空下,是一片死氣沉沉的岩石地表。

令人費解的是,在澳洲的科學家發現了一些幾乎堅不可摧的晶體──鋯石(zircon),並測量鋯石的放射性衰變,結果顯示這些鋯石距今已有44億年的歷史。這類礦物通常存在於像是花岡岩這樣化學組成複雜的岩石中,至於當時缺乏地質活動的地球如何創造出如此複雜的礦物,科學家目前仍未達成共識。

洛克認為,這或許和月球有關。

月球是在地球形成後不久出現的。當時有個行星大小的天體撞向地球,撞出的物質在地球周圍散布成環狀,這些碎石後來形成了近乎球形的天然衛星──月球。數據模擬顯示,這個新夥伴與地球的距離比現在更近。這可能會對地球的自轉產生影響,但之前的研究沒有考慮更廣泛的後果。洛克出於好奇而進行了模擬實驗,以觀察月球對地球自轉影響所帶來的後果。

這項研究結果本來應該在3月舉行的第51屆月球與行星科學會議(Lunar and Planetary Science Conference)上發表,但新冠疫情的全球大流行導致原本預計在德州舉行的會議取消。研究結果相當豐碩,科學家發現地球的這位舞伴真是位了不起的建築師。

讓我團團轉

地球和月球因為重力而互鎖共舞。根據物理定律,如果其中一個天體的狀態改變,那麼另一個天體也必須改變狀態,以維持平衡。其中有項稱為角動量守恆的平衡,是指當月球與地球的距離較近時,地球的自轉速度會比較快;而如果月球與地球的距離較遠時,地球的自轉速度則會減慢。

現在的月球距離地球約38萬4400公里,但在地球的熔岩海洋形成地殼雛形後不久,月球和地球之間的距離可能只有1萬2875公里。當時的地球自轉速度非常快,一天可能只有2.5小時。原本呈現球形的地球也變成近乎橢圓的形狀。

「我從來沒想過早期地球會如此平坦的可能性,」並未參與此項研究的德州大學達拉斯分校板塊結構學專家羅伯特.斯坦恩(Robert Stern)這麼說道。雖然這聽起來可能很瘋狂,但他說「這的確有道理。」

現在,遙遠的月球牽引著地球上的海洋,形成了潮汐。但更久以前,月球的引力要大得多。根據這項新的模型,月球的引力使得地球上的堅硬岩石形成一大塊凸起,這塊凸起會在地球上移動,而月球就在後方追趕著。不過,這樣的追逐導致月球加速,打亂了月球與地球的共舞。為了恢復兩者之間的平衡,月球會開始遠離這位它一直繞著旋轉的舞伴。

地球對此的回應是減緩它荒謬的快速自轉,於是地球像個受到輕微擠壓的足球那樣收縮。地球赤道附近的岩石就好像被卡在車禍意外中那樣互相碰撞,開啟了一場今日已不復存在的壯觀造山運動秀。

在兩極附近的地殼被撕裂,下方的過熱地函從裂縫中湧出,在過程中不斷地減壓和熔化,導致大量岩漿產生。洛克表示,這「與地球中洋脊現在發生的情況類似,只是速度更快」,意思是這個過程比平常新地殼龜速形成的狀況要快得多。

在這場混亂的地質活動中,可能會有些巨大的岩石被壓入地函中。如果是這樣,這就為地球廚房提供了烹調化學組成複雜礦物的原料,地質學家發現的44億年歷史鋯石可能就是因此而來。如果這些鋯石的確屬於花岡岩,這可就代表著地球首次嘗試創造出構成大部分我們今日所居陸地的大陸岩石。

陌生的世界

斯坦恩表示,有關地球早期歷史的討論主要由地質學家主導,而不是行星科學家。不過,他補充道,「當新團體做出貢獻的時候,往往會得到有趣的發現,」這種新方法顯示年輕的地球竟有著古怪的形狀,「絕對不是千篇一律的老把戲」。

並未參與此項研究的北卡羅萊納州立大學行星地質學家保羅.博恩(Paul Byrne)表示,月球在塑造早期地球的過程中發揮了作用,這是完全有可能的。不過,他也補充說明,月球可能不是唯一對地球產生影響的建築師。早期地球的內部溫度是現在的三倍,不論有沒有月球的幫忙,這些熱量都能推動地表產生各種變化。

由於地球早已塵封掩埋了久遠的地質歷史,因此很難證明月球對早期地球的巨大影響。羅素表示,無論這個模型是對或錯,如果我們把年輕的地球看作是個陌生的世界,而不是我們今天所認識的家園,勢必能幫助我們更理解地球的早期歷史。

 

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