月球磁场真的早已消失了吗？嫦娥六号样本提供了新答案

2024年6月25日，嫦娥六号成功将来自月球背面的样本带回地球，这是人类历史上首次从这一永远背对地球的未知世界获取实物证据。一年来，中国科学家围绕这批月背样品开展了系统研究，其中有四项成果登上《自然》杂志封面，分别涉及月球的岩浆活动、古磁场、地幔含水量与深部成分演化。

在前两篇基于嫦娥六号月壤样本的文章中，研究揭示出月球背面的滚烫岁月，以及它是月球最“贫瘠”的岩浆，却讲述了一个掏空月球内部的巨大撞击故事。我们已经知道，对嫦娥六号带回的月球背面样本分析后发现，月球背面在43亿年前左右经历过一次足以掏空深部成分的巨型撞击，而且即使在28亿年前月球背面仍存在活跃火山喷发。

此外，这些样本又讲述了另一段隐藏在岩石中的秘密——曾经被认为早已“死亡”的月球磁场，在28亿年前似乎再次苏醒。

磁场是什么，它为何重要？

在讨论月球磁场之前，我们首先需要了解磁场在行星科学中的意义。

我们每个人应该都对磁场不陌生，无论是从小在各种玩具中出现的磁铁，还是初高中物理课上用铁屑视觉化展示磁铁磁场分布的实验，都非常直观地告诉我们——磁铁周围存在一个看不见的力场。

用铁屑显示的磁铁周围的磁场

（图片来源：Flickr/dayna mason CC BY-NC-SA 2.0）

地球的内核实际上就相当于一个超大号的磁铁，会在地球周边形成一圈强大的地磁场。这个地磁场不仅赋予了指南针指向的功能，更重要的是构成了地球空间环境的第一道防线——它能有效偏转来自太阳的高能粒子（太阳风），保护大气层免受持续剥蚀，也避免了地表生物暴露在高强度辐射之下。正因如此，磁场被认为是地球宜居性的基础条件之一。

地磁场对地球的保护作用示意图

（图片来源：NASA）

因此，在研究一个地外行星是否宜居的时候，其磁场也是必须要考虑的因素。

不过，地磁场并不来源于巨大的固态磁铁，而是来自地球内部的“电磁铁”。科学家对这一现象的主流解释也因此被称为“发电机理论”（参考文献[1]）。具体来说，地球地核部分可分为内外两层，内地核是一个巨大的固态铁镍合金球，其半径约为1216千米；外地核同样由铁、镍组成，但为液态，其厚度约为2270千米。

由于地球自转的带动，外地核内部存在的温度差等因素，外地核的液态金属大体处于围绕内地核转动的状态，在局部则存在对流等。由于这些金属流体具备很高的导电性，因此这种运动我们可以简化为中间一根铁棒，铁棒外缠绕着一圈线圈，只要给线圈通电，这个系统整体就会产生磁场——这就是初中物理中典型的电磁感应模型。在地核中，这种电流会进一步激发出磁场，磁场又会反过来增强电流，从而维持整个系统的运行。

发电机模型

（图片来源：Wikipedia）

由此我们也可以推断：磁场的存在与否，也从一个侧面反映了该天体内部是否仍有活跃的物质循环。因此，在研究太阳系内不同天体的形成与演化过程中，磁场的存在与变化，始终是被重点关注的方向之一。

月球磁场曾经存在吗？又为何消失？

关于月球是否曾经拥有内部磁场，目前仍存在显著争议。

早期的研究主要依据阿波罗任务带回的岩石样本。科学家发现，这些样本中部分玄武岩在冷却过程中记录下了稳定的磁场，表明它们形成时周围存在一个有序、持续的磁场。根据这一证据，主流观点认为：月球在约42亿年至35亿年前之间，曾存在由液态金属对流驱动的核心发电型磁场，其强度最高时甚至接近地球当前地磁场的水平。但是月球磁场在31亿年前开始快速衰减，然后在15亿年前发生了第二次衰减，最终在10亿年前完全消失。

目前月球上空30千米处的总磁场强度，注意其单位为nT（纳特斯拉）

（图片来源：Wikipedia-Mark A.Wieczorek）

但近年的研究则对这一传统认知提出挑战。例如，有科学家在2021年发表的研究认为，所谓古月球磁场的证据可能并不来自真正的核心磁场，而是受到了撞击事件或地球磁场暴露等因素的影响（参考文献[2]）。他们重新分析了样品中的磁性矿物，认为这些矿物并不具备长期保留热剩磁的能力，因此记录的强磁信号可能源于短时、局部的冲击磁化，而非一个持续存在的全球性磁场。

这类观点虽然仍属少数，但确实揭示出当前研究中的不确定性，也反映了我们对月球磁场演化过程的认识尚不完整。特别是在约31亿年至20亿年之间的时间段内，样本数据极为稀缺，导致该时期磁场是否持续、是否存在波动等问题难以回答。

此外，目前几乎所有已有古地磁数据都来自月球正面。对于月球背面的古磁场状态，长期缺乏实物样本，科学家只能依赖遥感模型进行间接推断。这种空间上的空白，进一步加剧了对月球磁场全球分布和持续时间的争议。

嫦娥六号带回的样本，恰好填补了这两方面的关键缺口：一方面，它们的形成时间约为28亿年前，正处于样本稀缺的关键时段；另一方面，它们来自此前从未获取过实物样本的月球背面。正因如此，它们所记录下的磁场信息，对研究月球磁场变化极为重要，也可能成为打破当前理论僵局的关键证据。

嫦娥6号的采样区域示意图

（图片来源：参考文献[3]）

如何从一块岩石中读出28亿年前的古磁场？

磁场是随时间不断变化的，我们无法回到过去直接测量28亿年前月球表面的磁场强度。但幸运的是，一些岩石可以在形成时就记录下当时的磁场状态，就像磁带记录声音一样。这项研究方法被称为古地磁分析，其中最核心的指标之一，是所谓的天然剩磁（Natural Remanent Magnetization,简称NRM）。

我们都知道，岩浆其实就是一种高温液态物质。岩浆在逐渐冷却的过程中，其中一些最先结晶成固态的矿物由于含有一定量的铁元素，因而具有磁性。这些磁性矿物会受到当时环境磁场的影响，排列出特定方向，并因为岩浆固结成岩而保留下这种磁性状态。

只要岩石在后期没有受到强烈加热或冲击破坏，这些磁性排列就会被长期保存下来，从而成为研究古代磁场强度与方向的重要线索。这种方法不仅在研究地球过去的磁场演化中被广泛使用，也被应用于月球、火星等地外天体的岩石样本研究中。

不过，在嫦娥六号样本的研究中，由于这些岩石碎屑体积更小、无定向、年代更年轻，而且首次来自月球背面，因此相比以往阿波罗任务的样本，研究方法必须更加精细。研究人员采用了针对微小样品开发的非加热法来提取古地磁信号，并设计了多步骤的消磁与校正流程，以尽可能剔除后期干扰因素。

本次研究所使用的嫦娥6号岩石样本

（图片来源：参考文献[3]）

此外，团队还结合了岩石磁性分析、扫描电子显微镜成像、X射线CT与拉曼光谱等方法，确认这些玄武岩样本中的磁性载体主要为微米级铁粒，分布稳定，未受到冲击变形或高温再磁化，具备良好的“古磁记录能力”。

结果显示，这些形成于约28亿年前的玄武岩样本，记录下的磁场强度范围为5到21微特斯拉（μT）（目前地球上的地磁场范围为25-65μT）。这个值显著高于此前20亿年时段样本中测得的微弱磁场，表明在被认为磁场已衰退的时间段内，月球内部实际上可能仍保持着相当程度的磁场活动。

从以往的研究来看，月球磁场在约31亿年前经历过一次显著衰退，此后磁场强度整体趋弱。因此，嫦娥六号样本所揭示出的中期增强现象——约28亿年前仍存在高达20微特斯拉的磁场强度，对既有认识提出了新的挑战。

这项研究表明，月球磁场的演化过程可能并非单向衰减，而是存在阶段性波动。研究团队将测得的古磁场强度与多种月球发电机模型的模拟结果进行了对比，发现这些数据最符合基底岩浆海模型（Basal Magma Ocean,简称BMO）的预测趋势。

该模型认为，在月球形成早期，由于地幔翻转等构造过程，月核与月幔边界可能堆积了一层富含放射性产热元素和金属成分的高温熔融层。这层基底岩浆海冷却缓慢，具有持续释放热量与驱动物质对流的能力，能够在早中期为月球磁场提供足够的能量来源，从而导致短期内磁场强度的恢复甚至增强。

考虑到该模型在参数设定上仍存在较大不确定性，研究也提出：岁差驱动机制（precession dynamo）亦可能在一定条件下作为磁场动力源单独或协同发挥作用。此外，核心结晶等过程也可能在特定阶段提供有限但稳定的驱动。

需要强调的是，无论是BMO模型还是岁差机制，目前仍有显著不确定性，因此月球磁场的确切动力来源尚不能最终定论。未来若能获得更多时间点和区域的古地磁数据，有望进一步验证这些模型的适用性，并重新定义我们对月球磁场演化的整体理解。

这一发现意味着什么？

嫦娥六号样本所揭示出的月球磁场中期增强现象，为理解月球内部演化过程提供了重要线索。

首先，它在时间上填补了一个长期缺失的关键空白。此前，大多数古地磁样本集中在35亿年前之前，或者20亿年之后，中间约15亿年的磁场演化状态始终缺乏直接证据。这使得科学界关于月球磁场是快速衰减还是间歇波动的讨论长期停留在推测阶段。而嫦娥六号样本的测年为约28亿年前，恰好落在这一空白带的中心。它提供了实测数据，明确表明在31亿年衰退之后，月球磁场至少曾经历过一次中等强度的回升。

其次，在空间分布上，它首次提供了来自月球背面的磁场记录。此前所有古地磁数据均来自月球正面，这使得科学家只能假设月球磁场具有全球性。但如果背面从未存在磁场，这将对整个月球内部结构与热演化模型提出根本性挑战。嫦娥六号样本所显示出的稳定剩磁，初步证实了这一时期磁场的全球覆盖性，支持了月球曾拥有核心驱动型全球磁场的观点。

第三，这一发现还具有重要的理论意义。它表明，月球磁场并非单一机制主导下的线性衰退，而可能经历过多次由不同机制激发的阶段性波动。这对现有月球热演化模型、核心结晶速率、放射性热源分布等问题提出了新的约束条件，也提示我们在理解其他类地行星（如火星或水星）磁场演化历史时，需要考虑更复杂的动力机制组合。

总的来看，嫦娥六号带回的这批样本，不仅为我们提供了研究月球磁场演化的新锚点，也展示了月球背面在地质与物理属性上的独特价值。未来，如果能获得更多不同时间段、不同区域的实物样本，特别是月球极区与深部出露区的岩石数据，或许可以进一步重建一个更完整的月球磁场演化序列，解决“月球是否曾长期拥有核心发电机制”这一尚未终结的问题。

参考文献

[1]Weiss N (2002) Dynamos in planets, stars and galaxies. Astronomy & Geophysics, 43(3), 3.9-3.14.

[2]Tarduno JA, Cottrell RD, Lawrence K, Bono RK, Huang W, Johnson CL, Blackman EG, Smirnov AV, Nakajima M, Neal CR, Zhou T, Ibanez-Mejia M, Oda H, Crummins B (2021) Absence of a long-lived lunar paleomagnetosphere. Science Advances, 7(32), eabi7647. American Association for the Advancement of Science. [3]Cai S (2025) A reinforced lunar dynamo recorded by chang’e-6 farside basalt. Nature, 643(8071), 361–365. Springer Science and Business Media LLC.

出品：科普中国

作者：地星引力（科普创作者）

监制：中国科普博览