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同位素資料支持月球大撞擊起源理論

臺北天文館_96
・2012/10/23 ・2224字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

美國華盛頓大學行星科學家Frédéric Moynier等人發現證據,證明月球的確是由火星大小的天體撞擊到早期地球而形成的暴烈過程。這項證據並不會令一般民眾感到敬畏,因為它們是月岩中微小的鋅同位素。不過,Moynier等人測出的鋅同位素含量極豐富,很可能是撞擊過程讓岩石蒸發成雲,而較重的鋅同位素比較新的鋅元素還快凝結,輕的鋅元素則在凝結之前變隨這團雲逸散到太空了。

從1970年代阿波羅任務從月球上將月岩帶回地球之後,科學家便曾嘗試尋找所謂的同位素分離作用(isotopic fractionation)來進行研究。月岩的化學組成與地球岩石類似,都缺乏易揮發物質(volatile)。之前利用猛烈撞擊可解釋此一缺失,另一月球起源理論則無法解釋這個現象。所謂的同位素,是指某種元素的原子核中具有不同中子數,使其同位素與元素本身的質量稍有不同。

月球的撞擊起源理論已提出30幾年了。按理來說,這個讓易揮發物質消失的造月撞擊事件,應該也會產生同位素分離;先前的同位素分離搜尋作業都一無所獲,導致撞擊起源說無法獲得確切的證明,也無法排除其他的月球起源理論。

Moynier表示:他們在月岩中測量出的同位素分離程度,約為地球岩石和火星岩石的10倍左右。這項差異甚為明顯而重要,因為這是繼發現月岩中缺乏易揮發物質的現象之後,科學家第一次有物理證據可以證明月球上曾經歷大規模蒸發事件。

根據科學家於1975年提出的大撞擊理論(Giant Impact Theory),月球是在地球形成早期時,一顆被稱為「忒伊亞(Theia)」的小行星與地球發生劇烈撞擊後的撞擊碎屑形成的。其中,希臘神話中,忒伊亞是月球女神(Selene)的母親。一般人可能很難想像這場撞擊的慘烈程度,不過與讓恐龍滅絕的那顆小行星僅約10公里左右(約比臺北市小)相比,可能就比較能理解直徑與火星相似(約6800公里)撞擊到地球可能引起的危害有多大。

這場劇烈撞擊不僅讓忒伊亞融化甚至蒸發,也讓原始的地球很大一部份的地函隨之融化蒸發。這些在撞擊過程中蒸發的岩石物質最終逐漸凝結而形成月球,另有一部份則落回地球。這個理論看起來似乎很奇怪,但電腦模擬顯示這樣劇烈的撞擊,的確可以產生現今所見的地月系統軌道狀態,且可以解釋月岩中缺乏易揮發物質的關鍵特徵。

一朝將真的月岩帶入實驗室中進行分析後,科學家很快地發現月岩中缺乏地質化學上所謂的中等揮發元素(moderately volatile element),包含鈉、鉀、鋅和鉛等。如果缺乏這些易揮發物質的確是因為在巨大撞擊期間蒸發的結果,那麼必定就會有同位素分離。

當岩石融化並蒸發時,比較輕的同位素進入蒸汽階段的速度會比較重的同位素快,所以基本上撞擊結束後,輕的同位素大多在蒸汽中,而重的同位素則會留在在固體殘餘中。一旦蒸汽消散,剩下的固體殘餘和原始物質相比之下,重同位素比例自然會比較高。道理說起來簡單,可是科學家就是找不到同位素分離的證據,直到Moynier等人的研究結果呈現在世人面前。

Moynier等人為排除其他可能造成同位素分離的原因,確定這種同位素分離的現象遍及整個月球,因此分析了阿波羅11, 12, 15, 17任務從月表不同地方帶回的20個月岩標本。這些標本收存於美國休士頓的詹森太空中心(Johnson Space Center)。由於阿波羅任務帶回的月岩數量並不豐富,Moynier等人得提出計畫書並說服負責管理月岩的委員會,才能取得所需的月岩樣本進行研究。Moynier等人分析的是月岩中的玄武岩部分,因為玄武岩是來自月球內部的岩漿冷卻而形成的,比較能代表月球內部真實的組成成分。下方照片是阿波羅任務帶回之第12021號標本的岩石薄片正交偏光影像。

不過,月球玄武岩的組成成分有差異,其中的鈦含量差異頗大。同位素也能在從液態逐漸凝固的過程中而被分離出來。雖然這種方式產生的效應很小,但仍須小心檢視以排除所有可能影響結果的因素,因此Moynier等人分析的樣本中同時包含了富鈦和貧鈦兩種化學成分極端的玄武岩,結果得出無論富鈦還是貧鈦,鋅同位素的比例都相同。

而為了做比較,他們分析的10個火星隕石標本。這些火星隕石有些是在南極洲採集到的,其他的則是田野博物館(Field Museum)、史密松研究所(Smithsonian Institution)和梵諦岡(Vatican)的收集品。如同地球一樣,火星岩石富含揮發性元素,岩石中含有豐富的鋅,所以只需一點點就足以測量出有無同位素分離,隕石標本因而比較容易取得。

分析結果,月岩中的鋅元素濃度與地球或火星岩石相較之下低很多,但重一點的鋅同位素的比例卻明顯的高多了。地球和火星所含的同位素成分與球粒隕石(chondritic meteorites)類似,可已呈現太陽系形成之初的原始塵埃氣體雲成分。這種差異最簡單的解釋,就是在月球形成之後的情況,比地球和火星更能讓更多揮發性元素逸散,也更能產生同位素分離作用。而月球物質的同位素同質性,則顯示月球上引發的同位素分離作用是大規模的過程,而不是區域性的。

給定上述線索後,最可能造成這些現象的大尺度事件,就是在月球形成過程中有大規模的融化。鋅同位素資料因而支持月球的大撞擊起源理論。不僅如此,這項研究工作同時也牽涉到地球起源,畢竟月球有很大一部份是來自地球。

如果少了月球的穩定影響,或許地球會和今日所見截然不同。行星科學家認為少了月球,地球的自轉速度會比現在快很多,一天的長度比現今短很多,天氣變化會比現今劇烈,氣候比現在更為混亂而極端。事實上,少了月球,地球可能變成一個嚴苛的世界,無法再成為像人類這樣的生物最喜歡的演化環境,想當然爾,也不會再有「人」在此討論月球的起源問題了。

http://www.youtube.com/watch?v=50gxyyU0V7U

資料來源:Moon was created in giant smashup. WU St. L [October 17, 2012]

轉載自 網路天文館

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臺北天文館_96
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月娘你從哪裡來?月亮形成的新線索!關鍵就在隕石中?
linjunJR_96
・2022/09/07 ・2467字 ・閱讀時間約 5 分鐘

作為我們宇宙中的鄰居,以及夜空中最明亮的一盞燈,月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時,想起了遠方的至親;天文學家望向滿月時,心中卻出現了另外一個問題:「月亮為什麼在那裡?」

月亮是從地球這邊「飛出去」的嗎? 圖/GIPHY

月球作為繞地球運轉的衛星,並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」(The Giant Impact)。今年八月,在中秋節即將到臨之際,科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體,為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源:月球是從地球分出去的?

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞,把地球撞得團團轉的同時,撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉,形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

大碰撞學說中,月亮形成的過程。圖/wikipedia

聽起來或許十分異想天開,但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先,一個最簡單的觀察是:現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知,月球的公轉方向和轉速自形成後,便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關!

在化學成分方面,同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素(例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18)在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動,因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中,地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋,太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過,科學家在二十世紀初期,檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中,氧同位素比例竟然和地球一模一樣,強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外,許多地質證據顯示月球在形成初期,表面是高溫的熔融態,符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

種種證據使大碰撞學說成為最受歡迎的月亮起源說。 圖/wikipedia

六個月球隕石,可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今,月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受,但詳細的形成過程究竟是如何,仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質(例如水和二氧化碳)揮發殆盡,但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本,和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋,表示這些水或許是「原生」的,在撞擊形成時便一直留存至今,而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭,氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋,便是重要的追蹤工具,可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄,外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究,還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊,以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質;也就是說,它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後,它們受到更上層的岩層保護,免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中,才從月球的岩漿流中被撞擊而出,並在漫長的旅途後抵達地球。

光學顯微鏡下,含有原生惰性氣體的月球玄武岩隕石 LAP 02436。圖/ETH

要取得隕石的同位素指紋資訊,需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾,將它懸掛在天花板上,並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎,但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器,也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

目前發現地球上最古老的物質,高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析,嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中,他們排除了太陽風或小行星汙染的可能,而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體,研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素,以及其他容易揮發的鹵素元素等等,藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中,究竟是如何存活下來。

美麗的月亮,神奇的月亮,還有許多問題待我們繼續發掘。 圖/GIPHY

參考資料

  1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances8(32), eabl4920.
  2. One more clue to the Moon’s origin
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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魚與熊掌可以兼得!不只能發電,還二氧化碳負排放的科技——《在大滅絕來臨前》
臉譜出版_96
・2022/02/06 ・3122字 ・閱讀時間約 6 分鐘

「氣候工作」公司(那間我付錢請他們把碳排放埋到冰島的公司)是由克里斯多福.格巴德(Christoph Gebald)與簡.沃茲巴赫(Jan Wurzbacher)這兩位大學時代的朋友共同創辦的。「我們是上大學第一天認識的,」沃茲巴赫回憶道,「我想我們第一週就問了彼此:『嘿,你想要做什麼?』然後我說:『嗯,我想要創立自己的公司。』」他們後來將研究所的獎學金分為兩份;兩人都花一半時間做博士班的研究,並且用另一半時間讓公司成長。

就跟拉克納一樣,他們兩個人面對了許多質疑。有人說,他們做的事情只是在轉移焦點。如果大家認為有方法能從大氣中抽走二氧化碳,那他們就會排放更多。「大家會反對我們說:『嗯,老兄,你們不該這麼做,』」沃茲巴赫跟我說,「但我們一直很頑固。」現年 35、6 歲的沃茲巴赫身材纖瘦,頂著一頭孩子般的蓬亂黑髮。我和他在「氣候工作」公司的蘇黎世總部碰面。那棟建物裡不僅有辦公室,也有金屬加工廠,現場不僅帶著科技新創的氛圍,也有點腳踏車店的感覺。

「把二氧化碳從流動的空氣中抽出來並不是什麼尖端科技,」沃茲巴赫跟我說,「這也不是什麼新鮮事。過去五十年來,人類都會從氣流中過濾二氧化碳,只是用途不同。」

「氣候工作」公司的二氧化碳移除系統有兩道程序。※出處:MGMT. design

從空氣中抽碳所面臨的挑戰

譬如在潛水艇中,船員呼出的二氧化碳必須排出去,否則會累積出對人體而言很危險的濃度。

但是能從空氣中抽出碳是一回事,要能大規模執行則又是另一回事。燃燒化石燃料會產生能源,從科技中捕捉二氧化碳也「需要」能源。只要能源是透過燃燒化石燃料所產生的,那就一定會增加必須捕捉的碳量。

第二個重大挑戰是處置方式。捕捉下來的二氧化碳需要送到安全的地方儲存。「玄武岩的好處是我們很好對外解釋,」沃茲巴赫說,「如果有人問:『嘿,但這真的安全嗎?』答案很單純:兩年內,它就會變成位在地下一公里處的石頭。就這麼簡單。」合適的地下儲存地點並不少見,但也不普遍;這表示,若要打造大型的碳捕捉工廠,要不是必須有個合適的地理位置,否則就得把二氧化碳運到遠處。

由暗色玄武岩組成的北愛爾蘭巨人堤道。圖/維基百科

最後是成本的問題。把二氧化碳從空氣中取出來需要經費,現在這需要花很多的錢。把一噸重的碳排放變成石頭,需要付給「氣候工作」公司 1000 美元。我將 544 公斤的配額,都用在飛往雷克雅維克的單程飛機上,於是包含回程飛機以及去瑞士的航程在內的碳排放,就只能留在空中飄蕩。沃茲巴赫跟我保證,隨著愈來愈多的捕捉裝置裝設完成,價格也會下降;在 10 年左右的時間內,可望降到每噸 100 美元。

如果碳排放以類似比例課稅的話,那麼就更容易計算:基本上,只要抽出一噸二氧化碳,就能少付一噸的碳稅。但如果碳仍舊能免費排入大氣中,那又有誰願意付這筆錢呢?即使一噸只要付 100 美元,把十億噸二氧化碳(只是世界年度排放量的一小部分)埋起來,就需要花上 1000 億美元。

我也問沃茲巴赫,這個世界是否已準備好為直接從空氣中捕捉碳的技術付費。「也許我們太早投入了,」沃茲巴赫若有所思地說,「也許時機正好;又或許我們遲了一步——天曉得。」

生質能與碳捕集和封存 BECCS

一如有許多方式能把二氧化碳釋放進空氣中,其實也有很多(潛在的)方式能移除二氧化碳。一種名為「加速風化(enhanced weathering)」的技術可說是我在赫利舍迪電廠參觀到的工程的反向版。這個概念並非將二氧化碳注入石頭中,而是將石頭帶到地表與二氧化碳接觸。

首先,要先將人為開採並碾碎的玄武岩散布到世界上炎熱、潮溼地帶的農田裡,而二氧化碳與這些碎掉的石頭起化學反應後,就能將其從空氣中抽取出來。或者有人也提出,可以碾碎火山岩中常見的綠色礦物質:橄欖石,再撒入海洋中溶解。這麼做能使海洋吸收更多的二氧化碳,而且還有另一個好處:對抗海洋酸化。

另一類負排放科技(negative-emissions technologies,簡稱為 NETs)的靈感則源自於生物。植物生長時會吸收二氧化碳,而當它們腐朽時,二氧化碳就會回到大氣中。種植新的森林能在植物體成熟之前吸收碳;有一篇瑞士研究人員最新的研究評估,種植一兆棵樹就能在接下來數十年中,從大氣中移除 2000 億噸的碳。其他研究人員認為,這項數據將事實誇大了十倍甚至更多。儘管如此,他們也評道,新植林吸收碳的能力「還是很重要」。

植林吸碳的能力很重要。圖/Pexels

為了解決朽木的問題,許多人提出各種技術方案。其一是將成樹砍倒並埋在溝渠裡;因為缺乏氧氣,就能防止樹木腐朽,以及隨之而來的二氧化碳排放。另一個計畫則只需要蒐集玉米梗等作物殘留物,並倒入深海;在黑暗、冰冷的深海裡,這些農餘腐爛的速度會很慢,甚至完全不腐爛。這些聽起來可能很怪的想法,也都是從自然中汲取靈感。在石炭紀(Carboniferous),有大量的植物遭到淹沒並埋於地底。這些植物後來就變成煤礦——如果這些東西可以保留在地底,理論上就能把碳永遠留在那裡。

林地復育(Reforestation)與注入地下的技術相互結合後,即為「生質能與碳捕集和封存(Bioenergy with carbon capture and storage)」——BECCS(發音為「becks」)。

IPCC 所使用的預測模型極度傾向 BECCS,因為它可以同時達到負排放與發電兩種目的。這種「魚與熊掌兼得」的辦法,以氣候數學的角度來看,幾乎所向無敵。

BECCS 的構想是種植能從空氣中吸取碳的樹木(以及部分穀物),接著便透過燃燒樹木來發電,所產生的二氧化碳再從煙囪直接捕捉下來、送入地底。(2019 年,世界首個 BECCS 的前導實驗已在英格蘭北部一座木顆粒燃料發電廠展開。)

替代方案的土地面積要廣、數量要大

這些替代方案所面臨的挑戰就跟直接從空氣中捕捉碳一樣,問題在於規模。馬里蘭大學的教授(University of Maryland)曾寧(Ning Zeng)是首創「樹木砍伐與儲存」概念的人。根據他的計算,若要每年消去 50 億噸的碳,總共需要 1000 萬條埋樹溝渠,而且每一條都要跟奧運標準游泳池一樣大。「假設有一組一共 10 人的人馬每週可以用機械施工,挖出一條溝渠,」他寫道,「那也需要 20 萬組(200 萬名工人)人馬與機器。」

根據德國科學家一篇最新的研究,若要藉由「加速風化」移除十億噸的二氧化碳,那就得要開採、碾碎並運送約 30 億噸的玄武岩。作者群指出,需要開採、磨碎與輸送的石頭「雖然數量非常大」,但其實還比每年約 80 億噸的煤礦開採量要來得少。

若要種植十億棵樹木,大約需要造出 906.5 萬平方公里大的新林地。這片森林面積之廣,會跟包含阿拉斯加在內的美國國土差不多大。這麼大片的耕地不再用於生產農作的話,可能造成上百萬人面臨飢餓。喬治城大學的教授歐盧費米.泰伊洛(Olúfẹ́miO. Táíwò)近期表示,有一種危機是「我們每邁出一大步的同時,卻在公平正義上倒退兩步。」然而,大家也不清楚,用未開發的土地是否就會比較安全。

樹木是深色的,所以若把凍土變成森林,反而會增加地球要吸納的能量,並造成全球暖化,最後也無法達成目標。解決這個問題的方法之一,可能是用 CRISPR 技術基因改造出淺色的樹木。就我所知,目前還沒有人提出這個構想,但似乎只是遲早的事。

——本文摘自《 在大滅絕來臨前:人類能否逆轉自然浩劫?》,2022 年 1 月,臉譜出版
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