För cirka fyra miljarder år sedan, Månen hade ett magnetfält som var ungefär lika starkt som jordens magnetfält är idag. Hur månen, med en mycket mindre kärna än jordens, kunde ha haft ett så starkt magnetfält har varit ett olöst problem i månens utvecklingshistoria.

Forskaren Aaron Scheinberg från Princeton, med Krista Söderlund från University of Texas Institute for Geophysics, och Linda Elkins-Tanton från Arizona State University, bestämde sig för vad som kan ha drivit detta tidiga månmagnetfält. Deras resultat och en ny modell för hur detta kan ha hänt, har nyligen publicerats i Earth and Planetary Science Letters .

En ny modell

Jordens magnetfält skyddar vår planet genom att avleda det mesta av solvinden, vars laddade partiklar annars skulle ta bort ozonskiktet som skyddar jorden från skadlig ultraviolett strålning.

Medan jordens magnetfält genereras av rörelserna från dess konvekterande flytande metall yttre kärna, känd som dynamo, Månens kärna är för liten för att ha producerat ett magnetfält av den storleken.

Så, forskargruppen föreslog en ny modell för hur magnetfältet kunde ha nått jordliknande nivåer. I detta scenario, dynamo drivs inte av månens lilla metallkärna, men av ett tungt lager av smält (flytande) sten som sitter ovanpå den.

I denna föreslagna modell, det nedersta lagret av månens mantel smälter för att bilda ett metallrikt "basalt magmahav" som sitter ovanpå månens metallkärna. Konvektion i detta lager driver sedan dynamo, skapa ett magnetfält.

"Idén om en basal magma havsdynamo hade föreslagits för det tidiga jordens magnetfält, och vi insåg att denna mekanism också kan vara viktig för månen, säger medförfattaren Soderlund.

Söderlund förklarar vidare att ett delvis smält lager tros fortfarande existera vid basen av månmanteln idag. "Ett starkt magnetfält är lättare att uppnå vid månens yta om dynamo arbetade i manteln snarare än i kärnan, " hon säger, "eftersom magnetfältstyrkan minskar snabbt ju längre bort den är från dynamoregionen."

I simuleringar av månens kärndynamo utförda av teamet, de upptäckte hela tiden att det nedre lagret av månens mantel överhettades och smälte. Initialt, de försökte fokusera på fall utan att smälta som var lättare att modellera, men ansåg så småningom att smältprocessen var nyckeln till deras nya modell.

"När vi började tänka på den smältningen som en egenskap, istället för en bugg, säger Scheinberg, "delarna började passa ihop och vi undrade om smältningen som vi såg i modellerna kunde producera ett metallrikt magmahav för att driva det starka tidiga fältet."

Ett senare svagt magnetfält

Längre fram i månens utveckling (för cirka 3,56 miljarder år sedan), det finns också bevis för att det starka magnetfältet som fanns runt månen så småningom blev ett svagt magnetfält, en som fortsatte tills relativt nyligen. Teamets nya modell kan också hjälpa till att förklara detta fenomen.

"Vår modell ger en elegant potentiell lösning, "säger Scheinberg." När månen svalnade, magmahavet skulle ha stelnat, medan kärndynamon skulle ha fortsatt att skapa det senare svaga fältet."

"Vi är glada över detta resultat eftersom det förklarar grundläggande observationer om månen - dess tidiga, starkt magnetfält och dess efterföljande försvagning och sedan försvinnande – med hjälp av första ordningens processer som redan stöds av andra observationer, ", tillägger medförfattaren Elkins-Tanton.

Utöver att tillhandahålla en ny modell att bygga på, denna forskning kan också ge en bättre förståelse för generering av planetariska magnetfält på andra håll i vårt solsystem och utanför.

"Basala magma havsdynamos, som den i vår modell, kan mycket väl ha varit en vanlig företeelse på steniga planeter som jorden och Mars, säger Scheinberg.