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潮汐演化的月球从一个高倾角，高角动量的地球

自然体积539，页面402 - 406 (2016）引用本文

主题

摘要

在月球起源的大碰撞假说中，月球是从赤道环地圆盘吸积而来的;然而，目前月球轨道倾角为5度，需要一个后续的动力学过程，目前尚不清楚1，2，3.。此外，月球的同位素组成出人意料地与地球相似，这也挑战了大碰撞理论4，5。在这里，我们表明由于月球倾角引起的潮汐耗散在月球潮汐演化过程中是一个重要的影响，并且过去的月球倾角一定非常大，违背了理论解释。我们提出了一个潮汐演化模型，从月球在赤道轨道上围绕一个最初快速旋转的高倾角地球开始，这可能是巨大撞击的结果。通过数值模拟，我们表明太阳对月球轨道的扰动自然地引起了月球的大倾角，并从地月系统中消除了角动量。我们的潮汐演化模型支持最近的高角动量、巨大撞击情景来解释月球的同位素组成6，7，8并提供了一条到达地球气候有利的低倾角的新途径。

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图1:月球早期潮汐从地球演化的数值模拟，初始倾角为70°，自转周期为2.5 h。
图2:各种模拟的月球倾角和地球倾角。
图3:类似于图1，但地球的初始倾角不同。
图4:月球潮汐演化后期的数值积分，假设月球倾角在25点为30°RE以及目前月球的形状。

参考文献

  1. 图马，J. &智慧，J.地月系统早期演化中的共振。阿斯特朗。J。115， 1653-1663 (1998)

    文章广告谷歌学者

  2. Ward, W. R. & Canup, R. M.月球轨道倾角与共振盘相互作用的起源。自然403， 741-743 (2000)

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  3. Pahlevan, K. & Morbidelli, A.无碰撞碰撞和月球倾角的起源。自然527， 492-494 (2015)

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  4. Burkhardt, C。月球的同位素组成和月球同位素危机1-13 (b施普林格，2015)

  5. Young, E. D.等。形成月球的巨大撞击中剧烈混合的氧同位素证据。科学351， 493-496 (2016)

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  6. Ćuk, M. &斯图尔特，S. T.从快速旋转的地球上造出月球:巨大的撞击随之而来的是令人共鸣的蔑视。科学338， 1047-1052 (2012)

    文章广告PubMed中科院谷歌学者

  7. 卡纳普，r.m.。通过巨大的撞击形成了一个具有类似地球成分的月球。科学338， 1052-1055 (2012)

    文章广告中科院PubMed公共医学中心谷歌学者

  8. 洛克，S. J.等。月球起源的新模型:在热自旋稳定极限之外与地球的平衡。月球的地球。科学。相依。47， 2881 (2016)

    广告谷歌学者

  9. 哈特曼，W. K. &戴维斯，D. R.卫星大小的星子和月球的起源。伊卡洛斯24， 504-515 (1975)

    文章广告谷歌学者

  10. 卡梅隆，A. G. W.和沃德，W. R.月球的起源。月球的地球。科学。相依。7， 120 (1976)

    广告谷歌学者

  11. 月球轨道的历史。启“。4， 411-439 (1966)

    文章广告谷歌学者

  12. 图马，J.和智慧，J.地月系统的演化。阿斯特朗。J。108， 1943-1961 (1994)

    文章广告谷歌学者

  13. Canup, R. M.和Asphaug, E.在地球形成末期的一次巨大撞击中月球的起源。自然412， 708-712 (2001)

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  14. 迈耶，地球的钛孪生兄弟。Geosci Nat。5， 240-241 (2012)

    文章广告中科院谷歌学者

  15. Pahlevan, K.和Stevenson, D. J.在形成月球的巨大撞击后的平衡。地球的星球。科学。列托人。262， 438-449 (2007)

    文章广告中科院谷歌学者

  16. 月球同位素危机的新方法。菲尔。反式。r . Soc。Lond。一个372，http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2013.0168（2014）

    文章广告中科院谷歌学者

  17. 智慧，J. &田中。地球快速旋转下地月系统的早期演化。伊卡洛斯256， 138-146 (2015)

    文章广告谷歌学者

  18. 月球自转轴过去的方向。科学189， 377-379 (1975)

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  19. Chyba, c.f.， Jankowski, d.g.和Nicholson, p.d.，海王星-海卫一系统的潮汐演化。阿斯特朗。12,54。219， 23 - 26 (1989)

    广告谷歌学者

  20. Chen, E. M. A.和Nimmo, F.月球早期岩浆海的潮汐耗散及其对地月系统演化的影响。伊卡洛斯275， 132-142 (2016)

    文章广告谷歌学者

  21. 强烈的海洋潮汐流和外行星卫星上的加热。自然456， 770-772 (2008)

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  22. Nicholson, p.d.， Cuk, M.， Sheppard, s.s.， Nesvorny, D. & Johnson, t.v. in巨行星的不规则卫星411-424(亚利桑那大学出版社，2008)

  23. 崔曼，S，图马，J.和纳穆尼，F.拉普拉斯表面的卫星动力学。阿斯特朗。J。137， 3706-3717 (2009)

    文章广告谷歌学者

  24. 具有高倾角和离心率的小行星的长期扰动。阿斯特朗。J。67， 591 (1962)

    文章广告MathSciNet谷歌学者

  25. Tamayo, D.， Burns, J. A.， Hamilton, D. P. & Nicholson, P. D.，高倾角系统的动力不稳定性。阿斯特朗。J。145， 54 (2013)

    文章广告谷歌学者

  26. atabe, K. & Ida, S.太阳系外类地行星的倾角演化。伊卡洛斯188， 1-17 (2007)

    文章广告谷歌学者

  27. 地月系统和拉普拉斯平面的潮汐摩擦:达尔文还原版。伊卡洛斯266， 24-43 (2016)

    文章广告谷歌学者

  28. Kokubo, E. & Genda, H.在真实吸积条件下原行星形成类地行星。12,54。j。714， 21-25 (2010)

    文章广告谷歌学者

  29. Garrick-Bethell, I.， Wisdom, J.和Zuber, M. T.关于过去高偏心率月球轨道的证据。科学313， 652-655 (2006)

    文章广告MathSciNet中科院数学PubMed谷歌学者

  30. Keane, J. T. & Matsuyama, I.月球真极漫游和过去低离心同步月球轨道的证据。地球物理学。卷。41， 6610-6619 (2014)

    文章广告谷歌学者

  31. Peale, S. J. & Cassen, P.潮汐耗散对月球热历史的贡献。伊卡洛斯36， 245-269 (1978)

    文章广告谷歌学者

  32. Canup, r.m.， Levison, h.f. & Stewart, g.r.地球多卫星系统的演化。阿斯特朗。J。117， 603-620 (1999)

    文章广告谷歌学者

  33. 广义卡西尼定律。阿斯特朗。J。74， 483 (1969)

    文章广告数学谷歌学者

  34. Ćuk, M. & Burns, J. A.关于不规则卫星的长期行为。阿斯特朗。J。128， 2518-2541 (2004)

    文章广告谷歌学者

  35. 威廉斯，J. G.和博格斯，D. H.月球上的潮汐:耗散的理论和决定。j .地球物理学。研究行星120， 689-724 (2015)

    文章广告谷歌学者

  36. 韦伯，D. J.潮汐与地月系统的演化。地球物理学。J。70， 261-271 (1982)

    文章广告谷歌学者

  37. 比尔，B. G.和雷，R. D.月球轨道演化:近期研究结果的综合。地球物理学。卷。26， 3045-3048 (1999)

    文章广告谷歌学者

  38. Ćuk, M.行星共振对月球偏心的激发。科学318， 244 (2007)

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  39. 默里，c.d.和德莫特，s.f.。太阳系动力学(剑桥大学出版社，1999)

  40. Wisdom, J. & Holman, M.N身体的问题。阿斯特朗。J。102， 1528-1538 (1991)

    文章广告谷歌学者

  41. 钱伯斯，J. E.，昆塔纳，E. V.，邓肯，M. J.和利索瓦，J. J.模拟双星系统中行星吸积的辛积分算法。阿斯特朗。J。123， 2884-2894 (2002)

    文章广告谷歌学者

  42. Ćuk, M, doones, L. & Nesvorný， D.土星卫星形成较晚的动力学证据。12,54。J。820， 97 (2016)

    文章广告谷歌学者

  43. Touma, J. & Wisdom, J.太阳系刚体动力学的Lie-Poisson积分器。阿斯特朗。J。107， 1189-1202 (1994)

    文章广告谷歌学者

  44. Vokrouhlický， D.， Breiter, S.， Nesvorný， D.和Bottke, W. F.广义YORP演化:翻滚的开始和新的渐近状态。伊卡洛斯191， 636-650 (2007)

    文章广告谷歌学者

  45. Sharma, I, Burns, J. A.和Hui, C.-Y。公转固体的国家阻尼时间。Mon。。r·阿斯特朗。Soc。359， 79-92 (2005)

    文章广告谷歌学者

  46. 天体力学微扰方程的初等推导。点。期刊。44， 944-949 (1976)

    文章广告MathSciNet谷歌学者

  47. Meyer, J.， Elkins-Tanton, L.和Wisdom, J.，早期月球的热-轨道耦合演化。伊卡洛斯208， 1-10 (2010);应改正的错误伊卡洛斯212, 448-449 (2011)

    文章广告谷歌学者

  48. Laskar, J.等。地球日晒量的长期数值解。阿斯特朗。12,54。428， 261-285 (2004)

    文章广告谷歌学者

  49. Lidov, M. L.外天体引力扰动作用下行星人造卫星轨道的演化。星球。空间科学。9， 719-759 (1962)

    文章广告谷歌学者

  50. Innanen, k.a，郑家强，Mikkola, S. & Valtonen, M. J.双星系统中行星轨道稳定性的Kozai机制。阿斯特朗。J。113， 1915 (1997)

    文章广告谷歌学者

  51. Carruba, V.， Burns, J. A.， Nicholson, P. D.和Gladman, B. J.关于木星不规则卫星的倾角分布。伊卡洛斯158， 434-449 (2002)

    文章广告谷歌学者

  52. 天体的共振旋转和卡西尼定律。天体力学。6， 356-378 (1972)

    文章广告MathSciNet数学谷歌学者

  53. 格莱德曼，B.，奎因，D.，尼科尔森，P.和兰德，R.潮汐演化卫星的同步锁定。伊卡洛斯122， 166-192 (1996)

    文章广告谷歌学者

  54. J.智慧，月球自转轴动力学。阿斯特朗。J。131， 1864-1871 (2006)

    文章广告谷歌学者

  55. Rambaux, N. & Williams, J. G.月球的物理振动及其自由模态的测定。天体力学。直流发电机。阿斯特朗。109， 85-100 (2011)

    文章广告数学谷歌学者

  56. Wieczorek, M. A. Correia, A. C. M. Le Feuvre, M.， Laskar, J. & Rambaux, N.用最初的逆行和随后的同步旋转解释水星的自旋轨道共振。Geosci Nat。5， 18-21 (2011)

    文章广告中科院谷歌学者

  57. Meyer, J. & Wisdom, J.月球核心的岁差。伊卡洛斯211， 921-924 (2011)

    文章广告谷歌学者

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致谢

这项工作得到了NASA新兴世界项目NNX15AH65G的支持。

作者信息

作者及单位

  1. 卡尔萨根中心，SETI研究所，北伯纳多大道189号，山景城，94043，加利福尼亚州，美国

    MatijaĆ英国

  2. 马里兰大学天文系，物理科学综合大楼，20742，美国马里兰州

    道格拉斯·p·汉密尔顿

  3. 美国马萨诸塞州剑桥市牛津街20号，哈佛大学地球与行星科学系，02138

    西蒙·j·洛克

  4. 加州大学戴维斯分校地球与行星科学系，1 Shields Avenue, Davis, 95616, California, USA

    莎拉·t·斯图尔特

作者
  1. MatijaĆ英国
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  2. 道格拉斯·p·汉密尔顿
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  3. 西蒙·j·洛克
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  4. 莎拉·t·斯图尔特
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贡献

m .Ć。设计研究，编写软件，分析数据，撰写论文。共同作者贡献了辅助计算，讨论了研究结果和更广泛的影响，并帮助编辑和改进了论文。

相应的作者

对应到MatijaĆ英国。

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有与之竞争的经济利益。

额外的信息

审核人信息自然感谢D. Stevenson和其他匿名审稿人对本文同行评议的贡献。

扩展数据图和表

图1月球潮汐演化的半解析模型。

月球倾角的演变(一个)和倾角(b)，从25岁开始RE到60RE使用我们的半解析模型(方法小节“月球倾角潮汐的阻尼”)。我们选择了最初的倾角，所以最终的月球倾角是当前的5°左右，而倾角是假设月球处于卡西尼状态(在30°和30°之间跳跃)来计算的RE和35RE是由于卡西尼号状态1和状态2之间的转换。18。爱情数字被设定为当前值(k2, E= 0.3,k2米= 0.024)35，并假设了目前月球的形状。黑线和红线表示的是问米= 10,000和问米= 38(当前值)，而问E是在33-35的范围内吗(它被调整成半长轴为60RE达到4500密尔之后)。蓝线描绘了历史，假设问米= 100内部到40RE,问米在月球经过这一距离后，地球的温度为38。黑线与研究结果非常相似11，12这条曲线忽略了月球倾角潮汐，而另外两条曲线表明，由于月球倾角潮汐的影响，过去月球的倾角一定要大得多。

扩展数据图2小行星撞击后月球潮汐的演变。

月球倾角的演变(一个)和偏心率(b)，根据参考文献提出的与星子相遇引起的月球倾角激发。3.，使用我们的半分析模型。这两组初始条件是针对状态的一个= 47RE，我= 5.8°3.（图1)，以及一种更激动人心的倾向我= 10°(也在一个= 47RE)。初始偏心率估计为e= 2罪我。黑线表示演化假设问米= 38和问E= 34，与当前的爱的数字。红线表示的是问米= 100，蓝线表示进化问E= 20。圆形符号表示当前月球轨道的倾角和偏心率。潮汐参数的组合不可能同时匹配当前月球倾角和偏心率。一个小问米结合highe也使月球无法达到60度RE(前两行)。减少问E也没有帮助，因为更强的地球潮汐进一步增加了月球的离心率(蓝线)。

扩展数据图3中所示仿真的快照图1以12.8迈的价格成交。

左边的面板显示偏心(一个)、月球倾角和地球相对黄道的倾角(b)，以及以黄道为基本面的月球轨道近地点论证(c)与500年时间的关系，而右边的图则绘制了月球的离心率(d)及倾斜度(e)反对月球的近地点论点(在整个30000年的时间里)。离心率与近地点的参数明显相关，正如对kozai型扰动的预期24，49。地球自转轴和月球轨道平面的快速相互进动，实质上是相互倾斜的(和黄道面)，显然影响了离心率和近地点进动。这种长期的行为是周期性的，每一个偏心周期正好有三个倾斜周期，这相当于近地点角进动周期的一半。

扩展数据图4问E/k2, E= 200模拟如图所示图1(黑线)34.6迈瑞。

此时，偏心激励(一个)和与之相关的地球倾角变化(b)不是由于Kozai扰动，而是由于缓慢变化的近共振辐角Ψ= 3Ω+ 2ω−3γ（c),Ω和γ月球升交点的经度和地球春分的经度分别是多少ω是月球的近地点角。这种近共振的相互作用是导致地球倾角大幅降低的原因图1。

扩展数据图5月球早期潮汐演化与问E/k2, E= 200。

黑线表示有问米/k2米= 200，而灰线则用问E/k2, E= 50。这些模拟最值得注意的方面是地球的低最终倾角(e)和地月系统的最后一次AM (b)超过当前值0.35。一个，c和d画出月球的半长轴、偏心率和倾角。

扩展数据图6月球早期潮汐演化，地球最初的自旋周期为2小时。

这相当于系统具有两倍的电流AM。灰线描绘了地球和月球潮汐特性的模拟问E/k2, E=问米/k2米= 100贯穿。黑线显示了一个模拟分支在30myr通过改变问E/k2, E到200年。虽然地球的最终倾角(e)是正确的，地月系统的最终AM (b)略高于目前的0.35倍。一个，c和d画出月球的半长轴、偏心率和倾角。

扩展数据图7卡西尼号状态转换附近的月球旋转动力学图。

512个模拟的结果探测了16个不同的月球半长轴上最初非常快和非常慢的月球旋转的结束状态一个还有16种不同的月球倾角我。模拟在1 Myr下运行，除了最右边的三列，它们在3 Myr下运行。每一个一个−我域由两个符号描述，每个符号表示初始旋转127转/年−1每年381美元−1。绿框和蓝框分别表示卡西尼号状态1和状态2的同步旋转。十字表示倾角稳定的非同步旋转，大的橙色十字表示次同步旋转，小的品红十字表示超同步状态。红色十字表示在模拟的最后50 kyr期间，倾角在1°以上的变化(表示受激或混沌自旋轴进动)。

图8月球倾角接近卡西尼号状态转换。

四个“切片”的倾角(在5°，10°，15°和20°)从网格显示的简短模拟图7 .扩展数据(带点的实红色和品红色线条;最左边和最右边的斜率和倾斜度顺序相同)。当两个不同的模拟为相同的一个和我结果不同，我们选择了卡西尼状态下的解决方案，如果可行的话。蓝色虚线表示用解析公式计算的卡西尼号的相关状态，而58.15°的黑色虚线表示卡西尼号相关状态下稳定倾角的上限。尽管在最小半长轴和最大半长轴上的数值和分析结果一致，但两者之间的巨大差异是由于卡西尼状态转变时非同步旋转占主导地位。

扩展数据图9月球接近年度共振时的摆动图4。

绕月球最长轴的自转速率(一个)和最长轴与地球的夹角(b)，在月球潮汐演化的第一阶段(图中红色点)图4) 29.7RE在那里，我们将潮汐的进化速度加快了一百倍。当月球接近它的自由摆动和地球轨道周期之间的共振时，这种摆动显然是在增加，大约是29.7RE。月球倾角的增加对月球自转角的增长影响更大(图4 b)而不是摆动幅度的增加。

扩展数据图10通过每年共振的月球自由摆动中图4。

月倾角(一个)、自旋速率(b)、围绕最长和最短主轴的旋转速率(c)，以及月球最长轴与地球的夹角(d)，在月球潮汐演化的“蓝色”段的前1兆里图4(这是按照潮汐演变的名义速率模拟的)。自由摆动(由灰色点跟踪)c)在大约330凯尔的地方发生共振，打破了月球的同步旋转。由于月球离卡西尼状态转换很近，所以它不能进化回卡西尼状态1，而进入非同步高倾角状态58。

补充信息

在拉普拉斯平面跃迁期间，地球自转和月球轨道的相对方向的动画，如图1中用黑色绘制的模拟。

这个系统是从地球春分的方向看到的，蓝色的箭头沿着地球的自转轴指向北方，而月球的轨道是红色的。最初地球的倾角大，月球的倾角小，拉普拉斯平面靠近地球赤道。随着动画的进展和月球轨道因潮汐耗散而变大，拉普拉斯平面移向黄道平面(在本视图中是水平的)。月球在拉普拉斯平面跃迁时获得较大的倾角，而地球的倾角减小。这些标签显示了时间、地球自转周期、总角动量(换算成现值)和地月系统的角动量，其中只考虑了月球轨道动量的黄道分量(即沿垂直轴的分量)。与总角动量不同，这个黄道分量在卡西尼状态转换期间将保持不变。(AVI 25361kb)

卡西尼号状态转换过程中月球图形与轨道相对方向的动画，如图4所示。

从月球轨道升交点方向看月球，黄道面(即此时月球的拉普拉斯平面)平行于水平轴。红色箭头表示的是月球轨道的正常方向。起初，月球的轨道法线和自转轴在黄道法线的同一侧，表明月球处于卡西尼状态1。一旦卡西尼1号状态不稳定，经过一些摇摆，月球就会进入一种非同步状态，有点类似于卡西尼2号状态(轨道正常，自转轴位于黄道法线的两侧)。在此期间，倾角和倾角(由倾角造成)都受到强烈的倾角潮汐的抑制。在半长轴35.1地球半径处，月球再次同步并进入卡西尼状态2，在模拟的剩余时间里它一直保持在那里(这个事件可以看到倾角增加了5度)。(AVI 18922kb)

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Ćuk，硕士，汉密尔顿，D，洛克，S。et al。潮汐演化的月球从一个高倾角，高角动量的地球。自然539， 402-406(2016)。https://doi.org/10.1038/nature19846

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