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从极氢推断月球真极漂移gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba体积gydF4y2Ba531gydF4y2Ba，gydF4y2Ba页面gydF4y2Ba480 - 484 (gydF4y2Ba2016gydF4y2Ba）gydF4y2Ba引用本文gydF4y2Ba

主题gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

月球最早的动力学和热历史还没有被很好地理解。月球两极附近沉积物的氢含量可能会让我们深入了解这段历史，因为这些沉积物(可能由水冰组成)只有在永久的阴影中才能存活下来。如果月球的方向改变了，那么阴影区域的位置也会发生变化。轨道中子能谱仪已经绘制出了极地氢沉积物的地图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，它们观测到的空间分布与从当今月球温度推断的水冰的预期分布不匹配gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba．这一发现与在水星两极相似的热环境中观察到的挥发物分布形成对比gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．在这里，我们展示了极地氢保存了月球自转轴已经移动的证据:氢沉积物是对跖的，并且沿着相反的经度从每个极点相等地移位。根据推测的重新定位的方向和大小，以及对月球转动惯量的分析，我们假设自转轴的这种变化，即真极移，是由原星系区域下的低密度热异常引起的。这一地区的放射性加热导致了大量的月海火山活动gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba改变了月球的密度结构，改变了它的惯性矩。这导致了与观测到的残留极氢相一致的真极漂移。这种热异常仍然存在，在一定程度上控制着月球目前的方向。在早期的月球历史上，原藻区地质活动最为活跃gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，这意味着极地漫游始于数十亿年前，而且测量到的极地氢有很大一部分是古老的，记录了早期水进入太阳系内部的过程。我们的假设为月球极地氢的对足分布提供了解释，并将极地挥发物与月球的地质和地球物理演化以及早期太阳系的轰击史联系起来。gydF4y2Ba

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图1:月球极氢和预测的冰稳定场。gydF4y2Ba
图2:极性氢的对足性。gydF4y2Ba
图3:产生所需TPW的合理质量异常的位置，以及PKT的影响。gydF4y2Ba
图4:由PKT演变而来的TPW。gydF4y2Ba

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    中科院gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

该项目部分由NASA的SSERVI VORTICES节点、月球侦察轨道器(M.A.S.和D.A.P.)和NASA月球先进科学与探索研究(LASER)计划(J.T.K.和I.M.)支持(M.A.S.、R.S.M.和D.J.L.)。我们感谢L. L. Hood分享关于古地磁数据的见解。我们将这个项目献给Arlin Crotts，他在本文完成后不久就去世了。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者指出gydF4y2Ba

  1. M. A.西格勒、R. S.米勒和J. T.基恩:这些作者对这项工作做出了同样的贡献。gydF4y2Ba

  2. A. Crotts:去世了。gydF4y2Ba

作者及隶属关系gydF4y2Ba

  1. 行星科学研究所，图森，85719，美国亚利桑那州gydF4y2Ba

    m.a.西格勒gydF4y2Ba

  2. 南卫理公会大学，美国德克萨斯州达拉斯75275gydF4y2Ba

    m.a.西格勒gydF4y2Ba

  3. 阿拉巴马州亨茨维尔大学，美国阿拉巴马州亨茨维尔35899gydF4y2Ba

    r·s·米勒gydF4y2Ba

  4. 亚利桑那大学月球与行星实验室，美国亚利桑那州图森85721gydF4y2Ba

    j·t·基恩和i·松山gydF4y2Ba

  5. 东京工业大学地球生命科学研究所，目黑，152-8551，日本东京gydF4y2Ba

    m . LaneuvillegydF4y2Ba

  6. 加州大学洛杉矶分校，美国加州90095gydF4y2Ba

    D. A.佩奇gydF4y2Ba

  7. 约翰霍普金斯大学应用物理实验室，劳雷尔，20723，美国马里兰州gydF4y2Ba

    d·j·劳伦斯gydF4y2Ba

  8. 哥伦比亚大学，纽约10027，美国纽约gydF4y2Ba

    答:克劳斯gydF4y2Ba

  9. 加州理工学院，帕萨迪纳，美国加州91125gydF4y2Ba

    M. J.波斯特gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba
  1. m.a.西格勒gydF4y2Ba
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  2. r·s·米勒gydF4y2Ba
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  3. j·t·基恩gydF4y2Ba
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  4. m . LaneuvillegydF4y2Ba
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  5. D. A.佩奇gydF4y2Ba
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  6. 我松山。gydF4y2Ba
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  7. d·j·劳伦斯gydF4y2Ba
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  8. 答:克劳斯gydF4y2Ba
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  9. M. J.波斯特gydF4y2Ba
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贡献gydF4y2Ba

M.A.S.提出了基本的真极漂移问题(与M.J.P.一起)，确定了解决假设关键要素所需的贡献者，并从D.A.P. R.S.M.开发的模型中提供了近地表热和冰稳定性模型，开发并执行了中子数据集的分析，包括氢丰度和空间分布的确定，以及多数据集的相关性、统计和混合分析。J.T.K.进行了所有真极移分析，确定PKT是重新定位的合理原因，并得出了所有数据。M.L.提供了关键的信息，包括他之前发表的月球内部热演化模型的结果。d.a.p.， I.M.和D.J.L.贡献了与热、重力和轨道地球化学科学解释相关的专业知识。M.J.P.和A.C.在长期波动稳定性模型方面贡献了专业知识。m.a.s.， R.S.M.和J.T.K.是主要作者，m.l.， d.a.p.， i.m.， d.j.l.， M.J.P.和A.C.提供了额外的贡献，并协助审查这篇论文。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Bam.a.西格勒gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者声明没有相互竞争的经济利益。gydF4y2Ba

扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba

扩展数据图1对足对称。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba，标准的北极和南极地图，分别类似gydF4y2Ba图1a, bgydF4y2Ba．在每个图中，我们展示了一个假设的对跖对称的北(蓝色)和南(粉色)极地冰的分布。在每一张极地地图中，我们都显示了该半球的冰和对面半球的冰，因为它将通过月球看到。尽管对足对称，极地冰通常会显示在每个极地地图(蓝色在gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba；粉红色的gydF4y2BabgydF4y2Ba)并不像人们想象的那样相隔180°。gydF4y2BacgydF4y2Ba，为了测试对足对称性，我们通过行星旋转一个角度来观察特征gydF4y2BaαgydF4y2Ba．gydF4y2BadgydF4y2Ba，如果旋转，对足对称特征与对足对称特征相匹配gydF4y2BaαgydF4y2Ba= 180°。gydF4y2Ba

图2极性间氢的统计学意义。gydF4y2Ba

−log具有统计意义gydF4y2Ba10gydF4y2Ba（gydF4y2BaPgydF4y2Ba)表示似然参数的函数gydF4y2BaλgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图3冰稳定深度全分辨率图。gydF4y2Ba

冰的稳定深度定义为水冰以1mmgyr的速率升华的深度gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba、水冰在当前方向稳定的地区的冰稳定深度的全分辨率地图(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba)，在古极方向(gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba)，并以“重叠”方向(gydF4y2BaegydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba）;左边的面板显示北极地区，右边的面板显示南方地区。这些模型定义了各向同性水冰在地质时期保持稳定的位置;深度是两个模型在这些位置的平均值。面板gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba是gydF4y2Ba图1c, dgydF4y2Ba．模型在平面上被限制在±300公里gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba坐标。纬度线在80°向极地方向每隔2°。所有其他符号都定义在gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba．面板gydF4y2BabgydF4y2Ba改编自ref。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba美国科学促进会。gydF4y2Ba

图4过去和现在两极的水冰稳定深度。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba、北部水冰稳定深度(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba)及南部(gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba)极地地区。模型推导的稳定深度gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba所示为当前月球自转轴(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba)和假设的古轴(gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba)．此外，还显示了与极地氢丰度分布最匹配的当前轴和古轴模型的最佳组合(gydF4y2BaegydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba)．由LOLA仪器测量的地形gydF4y2Ba29gydF4y2Ba已经被叠加了。纬度等高线在80°的极点方向上每隔2°。所有其他符号都定义在gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

扩展数据图5行星重新定位的两种不同模式。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba，初始自旋状态(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)、倾角变化(gydF4y2BabgydF4y2Ba)及因TPW而作出的更改(gydF4y2BacgydF4y2Ba)．在这些示意图中，我们在惯性系中观察重新定向的行星。gydF4y2Ba

扩展数据图6月球上公布的许多古极。gydF4y2Ba

所有已发表的月球古磁极的集合，来自古地磁数据的组合(钻石gydF4y2Ba60gydF4y2Ba，gydF4y2Ba61gydF4y2Ba，gydF4y2Ba63gydF4y2Ba，gydF4y2Ba64gydF4y2Ba、三角形gydF4y2Ba19gydF4y2Ba和广场gydF4y2Ba62gydF4y2Ba)，化石图估计(恒星gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba)和此处报道的超热中子古极(圈)。每个点周围的椭圆表示1gydF4y2BaσgydF4y2Ba错误。gydF4y2Ba

扩展数据图7通过质量异常参数空间搜索切片。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba，彩色等高线包围了放置质量异常的区域ΔgydF4y2Ba问gydF4y2Ba将使月球重新定位到当前月球自旋极的指定距离内(见图例)。红色圆圈表示超热中子古极。gydF4y2BaegydF4y2Ba，等高线包围质量异常Δ的区域gydF4y2Ba问gydF4y2Ba必须将月球从超热中子古极重新定位到现在的自旋极，误差在1°以内。这个数字与中相同gydF4y2Ba图3 a - cgydF4y2Ba，但在一个等矩形投影;符号和线条gydF4y2Ba图3 a - cgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

扩展数据图8月球重新定位的简单物理模型，以及月球撞击盆地的影响。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，我们的球形帽模型的示意图，显示了月球表面的球形帽(绿圈)，以特定的纬度和经度为中心(箭头)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，质量异常ΔgydF4y2Ba问gydF4y2Ba对于球形瓶盖，作为瓶盖尺寸和瓶盖表面密度(或瓶盖厚度)的函数，假设密度为gydF4y2BaρgydF4y2Ba= 2550 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba)．gydF4y2BacgydF4y2Ba，我们横跨地幔的内部异常的示意图，有一个球形质量异常(绿色圈)，以特定的纬度和经度为中心(箭头)，掠过核心(深灰色圈)和表面。gydF4y2BadgydF4y2Ba，质量异常ΔgydF4y2Ba问gydF4y2Ba对于球形地幔异常作为异常密度对比的函数(黑线)。过度绘制(绿色阴影和橙色线)的是ΔgydF4y2Ba问gydF4y2Ba如果PKT负责(ΔgydF4y2Ba问gydF4y2Ba=−0.45;gydF4y2Ba图3 cgydF4y2Ba)．gydF4y2BaegydF4y2Ba基于PKT或南极-艾特肯盆地(SPA)的质量异常，所有可能古极位置的北极投影。PKT路径总是穿过中子古极，而SPA路径几乎与该路径正交。gydF4y2BafgydF4y2Ba，质量异常ΔgydF4y2Ba问gydF4y2Ba根据参考文献中概述的方法，从现今月球重力场的逆拟合中得到的最大的月球撞击盆地。gydF4y2Ba21gydF4y2Ba．唯一具有足够大质量异常的撞击盆地是南极-艾特肯盆地，它的位置不适合驱动观测到的TPW (gydF4y2Ba图3 bgydF4y2Ba)．唯一位置正确的主要撞击盆地是莫斯科维恩塞，它的质量异常可以忽略不计(而且标志是错误的)。误差条是逆解的1σ不确定性。gydF4y2Ba21gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

扩展数据图9 PKT热演化导致的月球质量异常和TPW。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaegydF4y2Ba， W模型的结果，其中KREEP在地壳内混合。gydF4y2BafgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BajgydF4y2Ba，模型B的结果，其中KREEP在地壳下混合。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba，月幔温度截面随时间的变化。黑圈是月球的核心。白色区域部分熔融。gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba，质量异常gydF4y2Ba问gydF4y2Ba（gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba)及ΔgydF4y2Ba问gydF4y2Ba（gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba)所显示的热异常gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba而且gydF4y2BafgydF4y2Ba，分别作为各种假定补偿状态的时间函数(彩色线)。gydF4y2BaCgydF4y2Ba= 0对应刚性岩石圈;gydF4y2BaCgydF4y2Ba= 1对应的是一个没有力量的岩石圈。解释超热中子古极所需的区域用绿色突出显示。gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2Ba我gydF4y2Ba， PKT与瞬时自旋极之间的距离随时间的函数。gydF4y2BaegydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba，瞬时自旋极的共纬度随时间的函数。在这个图中，如果北自旋极在近侧，共纬被定义为正，如果在远侧，共纬被定义为负。超热中子古极的同纬度以绿色突出显示。gydF4y2Ba

扩展数据图10在一系列模型和补偿状态下，由于PKT的热演化而预测的TPW路径。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba， W型，KREEP在地壳内混合;gydF4y2BaggydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BalgydF4y2Ba，模型B, KREEP在地壳下混合;gydF4y2Ba米gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaogydF4y2Ba，模型W，补偿状态随时间变化。总的来说，这些TPW路径与早形成(4±0.5 Gyr)的超热中子极相一致，只要岩石圈是部分刚性的。如果岩石圈很弱或没有力量(gydF4y2BadgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba，gydF4y2BalgydF4y2Ba)， PKT热异常的地形隆起占主导地位，TPW轨迹从未穿过超热中子极。gydF4y2Ba米gydF4y2Ba岩石圈开始时没有力量(流体;gydF4y2BaCgydF4y2Ba= 1)，并变得完全刚性(gydF4y2BaCgydF4y2Ba= 0)。gydF4y2BangydF4y2Ba，gydF4y2BaogydF4y2Ba岩石圈开始部分刚性，并随着时间变弱的例子。尽管这些情况在地球物理上可能不可行，但有趣的是，它将TPW路径限制在观测到的氢分布范围内，并缩短了超热中子古极的年龄。错误条表示1gydF4y2BaσgydF4y2BaPKT热模型旋转模糊导致古极位置的不确定性;误差条通常小于绘制的极点位置。轮廓和符号gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

补充信息gydF4y2Ba

由于月球的热演化，我们的名义PKT热模型(“W”)和刚性岩石圈(C=0)的月球真极漂移的可视化gydF4y2Ba

左上:在TPW演化的4.5 Gyr期间，从地球上观察月球的样子。红色轴表示瞬时最大和最小惯性主轴的位置。最大主轴(此处指向上方)控制着月球的自转轴。最小惯性主轴(在这里从侧面看)设定了月球相对于地球的方向。蓝色轴表示月球目前的最大和最小惯性主轴。虚线表示经纬度30°的间隔。粉红色线表示PKT边界异常，绿色线表示3.5ppm钍丰度;这两者，连同LRO/WAC形态基底图中容易看到的maria，都突出了PKT。上、中、右上:这些视图分别显示了从北极和南极上方看到的月球，并突出了月球自转轴和超热中子分布之间的联系，以青色显示。在这个模型中，自旋极穿过0到1.2 Gyr之间的分布。 Bottom: A temperature cross-section through the PKT thermal evolution model ("W"), with the PKT on the right. Colors are as in Fig. 3B. (AVI 26873 kb)

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西格勒，M，米勒，R，基恩，J。gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba从极氢推断月球真极漂移。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba531gydF4y2Ba， 480-484(2016)。https://doi.org/10.1038/nature17166gydF4y2Ba

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