地球“內(nèi)心”最深處：或是“鐵石心腸”

　　《中國新聞周刊》記者/牛荷

　　發(fā)于2023.3.13總第1083期《中國新聞周刊》雜志

　　2月22日，澳大利亞國立大學(xué)一項(xiàng)發(fā)表在《自然·通訊》上的研究，通過測量地震波穿過地球內(nèi)核的速度，發(fā)現(xiàn)地球最內(nèi)核可能是一個半徑約650千米的鐵球，且與地球內(nèi)核的外層分離。

　　今年1月，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《自然·地球科學(xué)》的一項(xiàng)研究顯示，地球內(nèi)核從1970代初起相對于地表超速旋轉(zhuǎn)，到2009年左右轉(zhuǎn)速基本與地表同步，再進(jìn)而出現(xiàn)緩慢的反轉(zhuǎn)。研究推測，地球內(nèi)核這一旋轉(zhuǎn)過程的周期大約為70年。

　　長久以來，地核由于處于地球深部，一般探測器無法取樣檢測，一直都是謎一樣的存在。國內(nèi)外這兩項(xiàng)研究發(fā)表后，引發(fā)廣泛討論。

　　“研究地球內(nèi)核的深層可以更多了解地球的過去和演化。內(nèi)核就像地球進(jìn)化史的‘時間膠囊’，能讓人們了解數(shù)億至數(shù)十億年前地球上發(fā)生的事件�！逼渲幸豁�(xiàng)研究的作者、澳大利亞國立大學(xué)地震學(xué)和數(shù)學(xué)地球物理學(xué)系主任、教授赫爾沃耶·特卡爾契奇對《中國新聞周刊》說。

　　地核中心或是一個鐵球

　　地球的結(jié)構(gòu)就像一個俄羅斯套娃，從外到內(nèi)分為四層，依次為地殼、地幔、液態(tài)的地球外核、固態(tài)的地球內(nèi)核。其中，地球內(nèi)核占地球體積比例不足1%，卻是地球命運(yùn)的“時間膠囊”。由于無法直接觀測，根據(jù)其他行星核心的組成來推測，地球內(nèi)核被認(rèn)為由鐵和鎳組成。

　　澳大利亞國立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部或存在第五層：最內(nèi)核。地球最內(nèi)核概念的產(chǎn)生最早可追溯至2002年，當(dāng)時哈佛大學(xué)兩位地震學(xué)家，基于地震波穿過內(nèi)核的速度特性，首次提出相關(guān)概念�！拔覀儸F(xiàn)在提供了另一條證據(jù)來證明這一假設(shè)�！卑拇罄麃唶�立大學(xué)地球科學(xué)研究院博士后潘清山表示，他和赫爾沃耶共同參與了這項(xiàng)最新的研究。

　　目前關(guān)于地核的已知信息，都是根據(jù)地震波數(shù)據(jù)推測。地震波是由于地震、火山或其他原因，在地球內(nèi)部或沿地球表面?zhèn)鞑ゲ⒋┻^地球內(nèi)層的振動。研究地震波傳播速度等性質(zhì)，可了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)分層及運(yùn)動狀況。1936年，丹麥地球物理學(xué)家英厄·萊曼通過研究地震波在地球內(nèi)部傳播的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地球有一個液態(tài)外核和一個固態(tài)內(nèi)核。

　　赫爾沃耶告訴《中國新聞周刊》，他們團(tuán)隊(duì)分析了過去十年中大約200次6級及以上地震的數(shù)據(jù)，一共提出了三條獨(dú)立的證據(jù)線，通過三個不同類型的地球物理數(shù)據(jù)集，以不同方式“看到”最深處的內(nèi)核。

　　《紐約時報》2月24日報道，已知的是，地震波穿過地球內(nèi)核的速度會隨著方向不同而變化。其中，沿著地軸從一極到另一極傳播最快，而垂直于地軸傳播速度最慢。地球物理學(xué)家認(rèn)為，這種速度差異是由內(nèi)核中鐵晶體的排列引起。

　　澳大利亞國立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，地震波通過最內(nèi)核與內(nèi)核外層的傳播時間存在差異，據(jù)此推測，最內(nèi)核結(jié)晶結(jié)構(gòu)可能與外核不同。赫爾沃耶等認(rèn)為，地球進(jìn)化過程中，地球最內(nèi)核晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

　　赫爾沃耶分析說，用地震波來測量，就像醫(yī)學(xué)物理學(xué)家和放射科醫(yī)生使用X射線一樣。在他看來，最內(nèi)核比內(nèi)核外殼更微妙，通過地震波觀察難度更大。地震波穿過地核時會逐漸變?nèi)酢?/p>

　　地震波捕捉通常要依靠地震儀�！暗卣饍x具有局限性，因?yàn)槠浯篌w只有在地震足夠大、地震波足夠強(qiáng)時才能捕捉到信號�！焙諣栁忠�分析說，他們在研究中使用一種“堆疊”技術(shù)，將單個波形組合在一起。簡而言之，通過多個地震儀記錄的數(shù)據(jù)，可以將穿過地核時減弱的地震波信號增強(qiáng)。通過這種方式，他們首次觀察到，地震波能夠沿地球直徑，來回傳播多達(dá)五次。每次加強(qiáng)的地震波從地球一側(cè)傳到另一側(cè)約20分鐘，5次共100分鐘，他將這一過程描述為類似“乒乓球來回彈跳”。

　　“最內(nèi)核的存在可以讓科學(xué)家更好了解地球磁場，它當(dāng)中可能蘊(yùn)藏著解開地球形成的秘密�！焙諣栁忠�說。

　　研究人員認(rèn)為，這一內(nèi)界面或許反映出內(nèi)核的生長曾發(fā)生過快速變化。赫爾沃耶說，內(nèi)核并不像地球那么古老。目前，地球內(nèi)核每年增長約1毫米，按照這個速率推算，內(nèi)核約有10億年歷史。這項(xiàng)研究或?qū)⒔忾_另一個難題，地球內(nèi)核中的鐵與地表的鐵晶體結(jié)構(gòu)大不相同，因?yàn)榈厍騼?nèi)核壓力是地表大氣壓的約300萬倍，溫度約為5500攝氏度。

　　英國廣播公司(BBC)2015年8月發(fā)布的一篇文章稱，地表實(shí)際含鐵量比人們想象中要少得多。因此，有理論認(rèn)為，在45億年前地球形成之時，大量的鐵都沉降到地核中。

　　2022年，來自美國羅切斯特大學(xué)一項(xiàng)發(fā)表于《自然通訊》的研究提出，地球固體內(nèi)核非常重要，該文作者約翰·塔爾杜諾表示，“內(nèi)核形成前，地磁場已在崩潰邊緣，但內(nèi)核逐漸形成后，地磁場再生�！�

　　北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院特聘副研究員楊翼對《中國新聞周刊》解釋說，凝固地球內(nèi)核釋放的潛熱，能夠驅(qū)動液態(tài)外核中的對流，從而產(chǎn)生地磁場。沒有內(nèi)核，外核對流會大大減弱，磁場會弱非常多。

　　澳大利亞國立大學(xué)的研究人員認(rèn)為，目前仍需進(jìn)一步研究最內(nèi)核與內(nèi)核外殼間過渡的特征。多名地震學(xué)專家告訴《中國新聞周刊》，在科學(xué)界，最內(nèi)核存在與否，以及最內(nèi)核具體大小目前仍存在爭議。楊翼分析說，最內(nèi)核與內(nèi)核外層性質(zhì)到底差異在哪，還要更多數(shù)據(jù)證實(shí)。今年1月，他和北大地球與空間科學(xué)學(xué)院教授宋曉東發(fā)布了關(guān)于地球內(nèi)核反轉(zhuǎn)的相關(guān)研究。

　　宋曉東對《中國新聞周刊》分析說，赫爾沃耶團(tuán)隊(duì)預(yù)測出最內(nèi)核半徑為650千米不算最新發(fā)現(xiàn)。2008年，他所在研究團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)，最內(nèi)核半徑是內(nèi)核的一半左右，當(dāng)時推測出的最內(nèi)核半徑與650千米的差異不足10%。“最內(nèi)核半徑測量誤差很大，每次測量的數(shù)據(jù)可能都存在一定差異�！睏钜碚f，來自澳大利亞國立大學(xué)這項(xiàng)研究比較有價值的地方在于，其觀測中所用到的“堆疊”技術(shù)。

　　地球內(nèi)核不轉(zhuǎn)了？

　　地球內(nèi)核通過液態(tài)外核與固體地球的其余部分隔開，使其能夠以不同于地球自身自轉(zhuǎn)的方式自轉(zhuǎn)。

　　1月23日，宋曉東團(tuán)隊(duì)的新研究顯示，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)可能已經(jīng)暫停，甚至可能會反轉(zhuǎn)。“研究所說的內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的暫�；蚍崔D(zhuǎn)，都是相對地表而言的動態(tài)，并非絕對意義的暫停或反轉(zhuǎn)。”楊翼向《中國新聞周刊》解釋說。赫爾沃耶謹(jǐn)慎地說，強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)很重要，許多媒體錯誤地報道地球內(nèi)核停止運(yùn)轉(zhuǎn)了，或者開始向相反方向旋轉(zhuǎn)。

　　這項(xiàng)新研究觀測了地震波從震源經(jīng)過內(nèi)核傳播到地球另一側(cè)的過程。通過比較同一震源多次地震引發(fā)的地震波，來追蹤穿過內(nèi)核的地震波形和傳播時間的差異。研究人員回顧分析20世紀(jì)60年代末至2020年的地震波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的變化。

　　早在1996年，宋曉東和哥倫比亞大學(xué)的地震學(xué)家首次觀測到，1960年代以來，穿透內(nèi)核的地震體波，傳播時間在30年間逐漸縮短約0.3秒。研究顯示，內(nèi)核超速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致了變化。不過，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速率目前仍有不確定性，旋轉(zhuǎn)速率本身也很可能發(fā)生改變�！�(旋轉(zhuǎn))這一現(xiàn)象基本被證實(shí)，現(xiàn)在的研究更多是描述內(nèi)核轉(zhuǎn)動的運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動機(jī)理�！彼螘詵|說。

　　楊翼表示，因?yàn)椴钏傩�轉(zhuǎn)，內(nèi)核相對地表從上世紀(jì)70年代初開始往東“擺動”，到2009年左右停止，并開始往西“擺動”，預(yù)計到本世紀(jì)40年代初又逐漸向東“擺動”。

　　但學(xué)界對此也有爭議。據(jù)“科學(xué)警告”網(wǎng)站去年6月10日報道，美國南加州大學(xué)洛杉磯分校的地球物理學(xué)家約翰·維戴爾表示，他們發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一項(xiàng)研究表明，從1969~1971年，內(nèi)核旋轉(zhuǎn)速度稍慢。之后，在1971~1974年期間，內(nèi)核開始向另一個方向旋轉(zhuǎn)。

　　2013年，赫爾沃耶及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，他們所推測的地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)周期為20~30年，赫爾沃耶向《中國新聞周刊》表示，學(xué)界對此并未達(dá)成共識。

　　赫爾沃耶認(rèn)為，不同研究得出的周期存在差異，反映出地球物理推斷的本質(zhì)。在他看來，現(xiàn)有研究一般通過大地震和地震儀預(yù)測內(nèi)核相關(guān)數(shù)據(jù)，地震和地震儀在全球分布并不均勻，使得數(shù)據(jù)觀測結(jié)果無法像醫(yī)生治病那樣，對病人身體有全面認(rèn)識。他認(rèn)為，需要更有效處理數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新，跳出條條框框去思考。

　　楊翼和宋曉東表示，研究的下一步是建立更有效的量化模型，并觀察未來內(nèi)核旋轉(zhuǎn)將如何變化。

　　這項(xiàng)研究還給出地球內(nèi)核及其他地表各個圈層相互作用的首個直接證據(jù)。宋曉東分析說，研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)核旋轉(zhuǎn)變化與地球表面系統(tǒng)的周期性變化相吻合，比如在磁場和日照時間等方面，說明地球不同層之間可能存在相互作用。

　　地磁場是源自于地球內(nèi)部，并延伸到太空的磁場。宋曉東表示，雖然內(nèi)核旋轉(zhuǎn)變化的具體機(jī)制還不清楚，但看起來這種變化是地球的內(nèi)核、外核、地幔和地表之間，形成的耦合共振系統(tǒng)的結(jié)果。

　　“‘地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)暫停或反轉(zhuǎn)’是很自然的現(xiàn)象，可能和氣溫、海平面以及磁場的周期性擾動有關(guān)�！睏钜矸治稣f，但是這種變化的影響幅度很小，他們的研究得出，這種變化最終影響的結(jié)果，可能導(dǎo)致一天比50年前一天長或短千分之一秒，具體時長取決于內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度。這種微小變化，人們在日常生活中察覺不到。

　　但搞清地核內(nèi)部構(gòu)造，對了解其何時不再適合人類居住至關(guān)重要。赫爾沃耶表示，未來，如果整個液態(tài)地核變成固態(tài)，地磁場也會隨之消失，生命將不復(fù)存在。但同時，他認(rèn)為，不必過于擔(dān)心，這一過程需要幾十億年。赫爾沃耶解釋說，火星上也存在過磁場，但后來消失了。赫爾沃耶正試圖弄清楚這是因?yàn)榛鹦呛诵囊后w部分太小，還是因?yàn)槠渌�原因，比如火星核心的化學(xué)組成不支持對流。

　　《中國新聞周刊》2023年第9期

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