本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：姚硕、郭良辉，题图来自：《月球陨落》
月球表面剩余磁场
对于月球表面磁场的探测，要回溯到五十多年前的阿波罗任务。
1969年11月降落在风暴洋的阿波罗12号、1971年2月5日降落在弗拉·毛罗区（Fra Mauro）的阿波罗14号、1971年7月降落在哈德利月溪（Hadley Rills）的阿波罗15号，以及1972年4月降落在笛卡尔区（Descartes）的阿波罗16号均开展了月表磁场测量。
上述着陆点表面磁场的磁感应强度从几纳特（nT）到三百多nT不等。月表磁场随着时间变化具有几十nT的扰动，并且在月表和空间测量的磁场矢量随时间的变化具有趋势一致性。这些探测结果表明月球已没有全球内禀磁场，表面磁场来自岩石剩磁以及太阳风和地球磁层的感应磁场。这些工作属于月表原位探测。
月球磁场示意图。来源／MIT
从阿波罗任务时期，就开展了绕月卫星在轨磁测以获得月面更大区域的磁场分布特征，称为全月面磁场测量。比较著名的卫星包括：月球10号（Luna-10）、探索者35号（Explorer-35）、阿波罗15号子卫星（Subsatellite 15）、阿波罗16号子卫星（Subsatellite 16）。然而，阿波罗时期的绕月卫星只测量到南北纬35度以内的月表磁场分布。此外，当时的卫星轨道高度较高约为100千米，获得的月表磁场空间分辨率较低。
月球第一幅全球磁异常分布图，是由1998年发射的月球勘探者（Lunar Prospector）卫星在约15-30千米高度处测量完成的，随着探测区域的增大，更多的月表磁异常区被发现。通过对比月球的表面磁异常图和地形图，可以看出磁异常与地质特征没有清晰的对应关系，月表磁异常广泛而零散地分布在高地、玄武岩月海和盆地区域。只有在月球背面南部区域呈现出磁异常对应四个年轻撞击盆地：雨海、澄海、危海和东海的球对点。
阿波罗12号的月表磁通门磁力仪。来源／Dyal等
近几年，结合月球勘探者卫星和月亮女神探测器（Kaguya，SELENA）的大量高精度在轨磁测，获得了网格间距达到0.5度的30千米高度处的月表磁异常。可以看出，月表磁场散布在月球表面，其中有十余处接近孤立磁异常，水平范围为几百千米的尺度，但是月表大部分区域的磁异常非常弱，不足1nT。月球正面最强的两处磁异常分别位于风暴洋西部的赖纳尔伽马漩涡（Reiner Gamma）和笛卡尔山脉，月球背面的最强磁异常区位于南极-艾特肯盆地一带。
根据等效偶极源假设和定向磁化假设开展岩石磁化强度反演，在岩石剩磁可能来自撞击磁化的盆地区域：洪堡盆地、孟德尔-里德伯盆地、酒海盆地、澄海盆地和危海盆地，月壳岩石的剩余磁化强度约为0.10-0.30A/m。这意味着月表熔融岩石中的铁颗粒质量含量可能达到0.10%-0.40%wt。考虑到热剩磁是推测磁化场特征的重要证据，想要验证月表岩石的磁性，还有待对返回岩石标本的直接测量。
月球勘探者号卫星在轨测量的全月面磁场强度与地形。来源／Weiss and Tikoo
月表岩石磁性与年龄
随着阿波罗15、16、17号任务带回了大量岩石标本，20世纪80年代就开展了对这些标本的古磁学测量。近十年来随着测量技术的进步，又开展了对相应标本的重新测量。如果岩石中的天然剩磁主要为热剩磁，那么可以依据热剩磁磁化强度推算古磁场强度。
尽管月球岩石标本和磁性测量数据十分丰富，但是磁化强度的来源仍然存在争议。许多岩石标本都是经历过多次撞击的复杂角砾岩，即使没有经历撞击的标本在随宇航员返回地球的过程中也会受到磁污染。另外，岩石被磁化的时间和目前的天然剩磁是否主要为热剩磁，都尚不清楚。所以大多数月球岩石标本所反映的古磁场强度其实都有很大的不确定性。
为了保证岩石标本磁性能反映月球古磁场特征，美国麻省理工大学的魏斯（Weiss）教授提出了一系列筛选依据，例如：岩石天然剩磁主要为热剩磁且没有经历冲击并具有完好的磁铁颗粒，获得热剩磁的时间远长于冲击磁化从秒到天的尺度，岩石同位素年龄已知且具有地质历史时期热演化的约束。筛选出的以热剩磁为主的、无冲击痕迹的岩石标本主要为玄武岩，多伴有表面熔融和玻璃体溅射的痕迹，内部具有玻璃基质。通过显微照片，可以看出岩石标本内部具有角砾岩的后期组合。
阿波罗16号带回的磁性岩石样本67915。来源／Tikoo等
岩石标本的年龄测定主要采用的是同位素定年法。其中比较常用的有氩（Ar）同位素、铅（Pb）同位素。40Ar/39Ar年代学是同位素地质年代学的两个“金钉子”手段之一。通过对阿波罗任务返回的麻粒角砾岩、原始橄长岩、含钠铁辉长岩等一系列月球碎屑标本的测量，获得了岩石表观年龄范围从43亿年到小于31亿年。
通过记录在碎屑中不同的Ar扩散过程，推测这期间对应了多次热事件。在富钾石英填充物和长石质石英中基本经历了以下三个主要步骤的热作用：碎屑结晶形成和成岩，加热导致的Ar扩散损失，岩石暴露在月表后受太阳白天照射加热引起的进一步Ar损失。
目前发现的最古老也是在40亿年前唯一未经冲击的完整月表磁性岩石标本，为阿波罗17号采集的一块橄长岩（编号76535），其位于一个直径10米的撞击坑的溅射物覆盖层中，这块标本的氩同位素年龄约为42.5亿年。目前发现的最年轻的岩石标本，来自我国嫦娥五号在吕姆克地区采集的月海玄武岩。嫦娥五号任务带回了1.731千克的月表物质，包括玄武岩碎屑和角砾岩，研究发现这些标本的年龄在19.06亿年至20.20亿年，玄武岩碎片来自20.26亿年至20.34亿年前的火山喷发。这表明月球火山活动至少持续到20亿年前。嫦娥五号返回的年轻岩石的磁性有望检验近20亿年来月球古磁场的强度或终止时间。
月球发电机古磁场的演化
根据阿波罗时期和当前新技术对月球返回岩石标本的测量结果，不同地质年代的岩石热剩磁反映了月球发电机古磁场强度的显著变化。目前认为在42.5亿-35.6亿年前月球曾具有强度达到几十微特斯拉（μT）的偶极磁场，在约31.9亿年前古磁场陡降至4μT，进入弱偶极场时代。
从30亿年前到20亿年前缺乏岩石标本的磁性测量结果，认为上限不超过5μT，在约8-19.2亿年前，古磁场强度可能降至0.1μT以下，即月球发电机磁场停止。考虑到当前地磁场的平均强度约为30μT，月球在36亿年前曾经具有与地球相当甚至更强的发电机磁场。
古磁场的强度变化支持了月球发电机古磁场的驱动机制演化模式，在42亿年前为干燥月幔的核幔热对流驱动发电机磁场，之后经历撞击在35亿年前变为干燥月幔的具有热毯效应的核幔对流。在10-25亿年前月球处于进动状态，发电机状态不明，到10亿年前变为热化学对流，古磁场显著减弱至消失。
阿波罗15号带回的磁性岩石样本15498。来源／Tikoo等
作者简介：
姚硕，中国地质大学（北京）副教授，科技部重点研发计划项目“月球内部圈层结构与演化过程的研究”子课题负责人。
郭良辉，中国地质大学（北京）教授，地球和月球重力场磁场研究领域专家。
本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：姚硕、郭良辉