地球“內(nèi)心”或是“鐵石心腸”

牛荷

地核中心或是一個(gè)鐵球

地球的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)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(shí)間膠囊”。由于無(wú)法直接觀測(cè)，根據(jù)其他行星核心的組成來(lái)推測(cè)，地球內(nèi)核被認(rèn)為由鐵和鎳組成。

澳大利亞國(guó)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(shí)哈佛大學(xué)兩位地震學(xué)家，基于地震波穿過(guò)內(nèi)核的速度特性，首次提出相關(guān)概念。“我們現(xiàn)在提供了另一條證據(jù)來(lái)證明這一假設(shè)?！卑拇罄麃唶?guó)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(cè)。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┻^(guò)地球內(nèi)層的振動(dòng)。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(dòng)狀況。1936年，丹麥地球物理學(xué)家英厄·萊曼通過(guò)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(gè)液態(tài)外核和一個(gè)固態(tài)內(nèi)核。

赫爾沃耶和他的團(tuán)隊(duì)分析了過(guò)去十年中大約200次6級(jí)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(guò)三個(gè)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(shí)報(bào)》2023年2月24日?qǐng)?bào)道，已知的是，地震波穿過(guò)地球內(nèi)核的速度會(huì)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(guó)立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，地震波通過(guò)最內(nèi)核與內(nèi)核外層的傳播時(shí)間存在差異，據(jù)此推測(cè)，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(guò)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(shuō)，用地震波來(lái)測(cè)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(lái)，最內(nèi)核比內(nèi)核外殼更微妙，通過(guò)地震波觀察難度更大。地震波穿過(guò)地核時(shí)會(huì)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(shí)才能捕捉到信號(hào)?！焙諣栁忠治稣f(shuō)，他們?cè)谘芯恐惺褂靡环N“堆疊”技術(shù)，將單個(gè)波形組合在一起。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)多個(gè)地震儀記錄的數(shù)據(jù)，可以將穿過(guò)地核時(shí)減弱的地震波信號(hào)增強(qiáng)。通過(guò)這種方式，他們首次觀察到，地震波能夠沿地球直徑，來(lái)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(guò)程描述為類似“乒乓球來(lái)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(chǎng)，它當(dāng)中可能蘊(yùn)藏著解開(kāi)地球形成的秘密。”赫爾沃耶說(shuō)。

研究人員認(rèn)為，這一內(nèi)界面或許反映出內(nèi)核的生長(zhǎng)曾發(fā)生過(guò)快速變化。赫爾沃耶說(shuō)，內(nèi)核并不像地球那么古老。目前，地球內(nèi)核每年增長(zhǎng)約1毫米，按照這個(gè)速率推算，內(nèi)核約有10億年歷史。這項(xiàng)研究或?qū)⒔忾_(kāi)另一個(gè)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(wàn)倍，溫度約為5500攝氏度。

英國(guó)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(shí)，大量的鐵都沉降到地核中。

2022年，來(lái)自美國(guó)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(chǎng)已在崩潰邊緣，但內(nèi)核逐漸形成后，地磁場(chǎng)再生?！?/p>

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院特聘副研究員楊翼解釋說(shuō)，凝固地球內(nèi)核釋放的潛熱，能夠驅(qū)動(dòng)液態(tài)外核中的對(duì)流，從而產(chǎn)生地磁場(chǎng)。沒(méi)有內(nèi)核，外核對(duì)流會(huì)大大減弱，磁場(chǎng)會(huì)弱非常多。

澳大利亞國(guó)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(guò)渡的特征。多名地震學(xué)專家表示，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(zhēng)議。楊翼分析說(shuō)，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)。2023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。

赫爾沃耶團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)出最內(nèi)核半徑為650千米不算最新發(fā)現(xiàn)。2008年，宋曉東所在研究團(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(shí)推測(cè)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(cè)量誤差很大，每次測(cè)量的數(shù)據(jù)可能都存在一定差異?！睏钜碚f(shuō)，來(lái)自澳大利亞國(guó)立大學(xué)這項(xiàng)研究比較有價(jià)值的地方在于，其觀測(cè)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(guò)液態(tài)外核與固體地球的其余部分隔開(kāi)，使其能夠以不同于地球自身自轉(zhuǎn)的方式自轉(zhuǎn)。

2023年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(huì)反轉(zhuǎn)?！把芯克f(shuō)的內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的暫?；蚍崔D(zhuǎn)，都是相對(duì)地表而言的動(dòng)態(tài)，并非絕對(duì)意義的暫?；蚍崔D(zhuǎn)?！睏钜斫忉屨f(shuō)。赫爾沃耶謹(jǐn)慎地說(shuō)，強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)很重要，許多媒體錯(cuò)誤地報(bào)道地球內(nèi)核停止運(yùn)轉(zhuǎn)了，或者開(kāi)始向相反方向旋轉(zhuǎn)。

這項(xiàng)新研究觀測(cè)了地震波從震源經(jīng)過(guò)內(nèi)核傳播到地球另一側(cè)的過(guò)程。通過(guò)比較同一震源多次地震引發(fā)的地震波，來(lái)追蹤穿過(guò)內(nèi)核的地震波形和傳播時(shí)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(cè)到，20世紀(jì)60年代以來(lái)，穿透內(nèi)核的地震體波，傳播時(shí)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(guò)，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?！埃ㄐD(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(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理?！彼螘詵|說(shuō)。

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

但學(xué)界對(duì)此也有爭(zhēng)議。據(jù)“科學(xué)警告”網(wǎng)站2022年6月10日?qǐng)?bào)道，美國(guó)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(kāi)始向另一個(gè)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(cè)的地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)周期為20～30年，赫爾沃耶表示，學(xué)界對(duì)此并未達(dá)成共識(shí)。

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(lái)，現(xiàn)有研究一般通過(guò)大地震和地震儀預(yù)測(cè)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(cè)結(jié)果無(wú)法像醫(yī)生治病那樣，對(duì)病人身體有全面認(rèn)識(shí)。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(lái)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(gè)圈層相互作用的首個(gè)直接證據(jù)。宋曉東分析說(shuō)，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(chǎng)和日照時(shí)間等方面，說(shuō)明地球不同層之間可能存在相互作用。

地磁場(chǎng)是源自于地球內(nèi)部，并延伸到太空的磁場(chǎng)。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(lái)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(chǎng)的周期性擾動(dòng)有關(guān)。”楊翼分析說(shuō)，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年前的一天長(zhǎng)或短千分之一秒，具體時(shí)長(zhǎng)取決于內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度。這種微小變化，人們?cè)谌粘Ｉ钪胁煊X(jué)不到。

但搞清地核內(nèi)部構(gòu)造，對(duì)了解其何時(shí)不再適合人類居住至關(guān)重要。赫爾沃耶表示，未來(lái)，如果整個(gè)液態(tài)地核變成固態(tài)，地磁場(chǎng)也會(huì)隨之消失，生命將不復(fù)存在。但同時(shí)，他認(rèn)為，不必過(guò)于擔(dān)心，這一過(guò)程需要幾十億年。赫爾沃耶解釋說(shuō)，火星上也存在過(guò)磁場(chǎng)，但后來(lái)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?，比如火星核心的化學(xué)組成不支持對(duì)流。

（摘自《中國(guó)新聞周刊》2023年第9期）