2月22日，澳大利亞國立大學(xué)一項發(fā)表在《自然·通訊》上的研究，通過(guò)測量地震波穿過(guò)地球內核的速度，發(fā)現地球最內核可能是一個(gè)半徑約650千米的鐵球，且與地球內核的外層分離。
今年1月，北京大學(xué)研究團隊發(fā)表在《自然·地球科學(xué)》的一項研究顯示，地球內核從1970代初起相對于地表超速旋轉，到2009年左右轉速基本與地表同步，再進(jìn)而出現緩慢的反轉。研究推測，地球內核這一旋轉過(guò)程的周期大約為70年。
長(cháng)久以來(lái)，地核由于處于地球深部，一般探測器無(wú)法取樣檢測，一直都是謎一樣的存在。國內外這兩項研究發(fā)表后，引發(fā)廣泛討論。
“研究地球內核的深層可以更多了解地球的過(guò)去和演化。內核就像地球進(jìn)化史的‘時(shí)間膠囊’，能讓人們了解數億至數十億年前地球上發(fā)生的事件?！逼渲幸豁椦芯康淖髡?、澳大利亞國立大學(xué)地震學(xué)和數學(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(shuō)。
地核中心或是一個(gè)鐵球
地球的結構就像一個(gè)俄羅斯套娃，從外到內分為四層，依次為地殼、地幔、液態(tài)的地球外核、固態(tài)的地球內核。其中，地球內核占地球體積比例不足1%，卻是地球命運的“時(shí)間膠囊”。由于無(wú)法直接觀(guān)測，根據其他行星核心的組成來(lái)推測，地球內核被認為由鐵和鎳組成。
澳大利亞國立大學(xué)的研究團隊發(fā)現地球內部或存在第五層：最內核。地球最內核概念的產(chǎn)生最早可追溯至2002年，當時(shí)哈佛大學(xué)兩位地震學(xué)家，基于地震波穿過(guò)內核的速度特性，首次提出相關(guān)概念?！拔覀儸F在提供了另一條證據來(lái)證明這一假設?！卑拇罄麃唶⒋髮W(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最新的研究。
目前關(guān)于地核的已知信息，都是根據地震波數據推測。地震波是由于地震、火山或其他原因，在地球內部或沿地球表面傳播并穿過(guò)地球內層的振動(dòng)。研究地震波傳播速度等性質(zhì)，可了解地球內部結構分層及運動(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部傳播的數據，發(fā)現地球有一個(gè)液態(tài)外核和一個(gè)固態(tài)內核。
赫爾沃耶告訴《中國新聞周刊》，他們團隊分析了過(guò)去十年中大約200次6級及以上地震的數據，一共提出了三條獨立的證據線(xiàn)，通過(guò)三個(gè)不同類(lèi)型的地球物理數據集，以不同方式“看到”最深處的內核。
《紐約時(shí)報》2月24日報道，已知的是，地震波穿過(guò)地球內核的速度會(huì )隨著(zhù)方向不同而變化。其中，沿著(zhù)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)家認為，這種速度差異是由內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，地震波通過(guò)最內核與內核外層的傳播時(shí)間存在差異，據此推測，最內核結晶結構可能與外核不同。赫爾沃耶等認為，地球進(jìn)化過(guò)程中，地球最內核晶體結構發(fā)生了變化。
赫爾沃耶分析說(shuō)，用地震波來(lái)測量，就像醫學(xué)物理學(xué)家和放射科醫生使用X射線(xiàn)一樣。在他看來(lái)，最內核比內核外殼更微妙，通過(guò)地震波觀(guān)察難度更大。地震波穿過(guò)地核時(shí)會(huì )逐漸變弱。
地震波捕捉通常要依靠地震儀?！暗卣饍x具有局限性，因為其大體只有在地震足夠大、地震波足夠強時(shí)才能捕捉到信號?！焙諣栁忠治稣f(shuō)，他們在研究中使用一種“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)地震儀記錄的數據，可以將穿過(guò)地核時(shí)減弱的地震波信號增強。通過(guò)這種方式，他們首次觀(guān)察到，地震波能夠沿地球直徑，來(lái)回傳播多達五次。每次加強的地震波從地球一側傳到另一側約20分鐘，5次共100分鐘，他將這一過(guò)程描述為類(lèi)似“乒乓球來(lái)回彈跳”。
“最內核的存在可以讓科學(xué)家更好了解地球磁場(chǎng)，它當中可能蘊藏著(zhù)解開(kāi)地球形成的秘密?！焙諣栁忠f(shuō)。
研究人員認為，這一內界面或許反映出內核的生長(cháng)曾發(fā)生過(guò)快速變化。赫爾沃耶說(shuō)，內核并不像地球那么古老。目前，地球內核每年增長(cháng)約1毫米，按照這個(gè)速率推算，內核約有10億年歷史。這項研究或將解開(kāi)另一個(gè)難題，地球內核中的鐵與地表的鐵晶體結構大不相同，因為地球內核壓力是地表大氣壓的約300萬(wàn)倍，溫度約為5500攝氏度。
英國廣播公司(BBC)2015年8月發(fā)布的一篇文章稱(chēng)，地表實(shí)際含鐵量比人們想象中要少得多。因此，有理論認為，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)自美國羅切斯特大學(xué)一項發(fā)表于《自然通訊》的研究提出，地球固體內核非常重要，該文作者約翰·塔爾杜諾表示，“內核形成前，地磁場(chǎng)已在崩潰邊緣，但內核逐漸形成后，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對《中國新聞周刊》解釋說(shuō)，凝固地球內核釋放的潛熱，能夠驅動(dòng)液態(tài)外核中的對流，從而產(chǎn)生地磁場(chǎng)。沒(méi)有內核，外核對流會(huì )大大減弱，磁場(chǎng)會(huì )弱非常多。
澳大利亞國立大學(xué)的研究人員認為，目前仍需進(jìn)一步研究最內核與內核外殼間過(guò)渡的特征。多名地震學(xué)專(zhuān)家告訴《中國新聞周刊》，在科學(xué)界，最內核存在與否，以及最內核具體大小目前仍存在爭議。楊翼分析說(shuō)，最內核與內核外層性質(zhì)到底差異在哪，還要更多數據證實(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)于地球內核反轉的相關(guān)研究。
宋曉東對《中國新聞周刊》分析說(shuō)，赫爾沃耶團隊預測出最內核半徑為650千米不算最新發(fā)現。2008年，他所在研究團隊就發(fā)現，最內核半徑是內核的一半左右，當時(shí)推測出的最內核半徑與650千米的差異不足10%?！白顑群税霃綔y量誤差很大，每次測量的數據可能都存在一定差異?！睏钜碚f(shuō)，來(lái)自澳大利亞國立大學(xué)這項研究比較有價(jià)值的地方在于，其觀(guān)測中所用到的“堆疊”技術(shù)。
地球內核不轉了？
地球內核通過(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的方式自轉。
1月23日，宋曉東團隊的新研究顯示，地球內核的旋轉可能已經(jīng)暫停，甚至可能會(huì )反轉?！把芯克f(shuō)的內核旋轉的暫?；蚍崔D，都是相對地表而言的動(dòng)態(tài)，并非絕對意義的暫?；蚍崔D?！睏钜硐颉吨袊侣勚芸方忉屨f(shuō)。赫爾沃耶謹慎地說(shuō)，強調這一點(diǎn)很重要，許多媒體錯誤地報道地球內核停止運轉了，或者開(kāi)始向相反方向旋轉。
這項新研究觀(guān)測了地震波從震源經(jīng)過(guò)內核傳播到地球另一側的過(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60年代末至2020年的地震波數據，發(fā)現地球內核旋轉的變化。
早在1996年，宋曉東和哥倫比亞大學(xué)的地震學(xué)家首次觀(guān)測到，1960年代以來(lái)，穿透內核的地震體波，傳播時(shí)間在30年間逐漸縮短約0.3秒。研究顯示，內核超速旋轉導致了變化。不過(guò)，地球內核的旋轉速率目前仍有不確定性，旋轉速率本身也很可能發(fā)生改變?！?旋轉)這一現象基本被證實(shí)，現在的研究更多是描述內核轉動(dòng)的運動(dòng)狀態(tài)和運動(dòng)機理?！彼螘詵|說(shuō)。
楊翼表示，因為差速旋轉，內核相對地表從上世紀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)”，預計到本世紀40年代初又逐漸向東“擺動(dòng)”。
但學(xué)界對此也有爭議。據“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》上的一項研究表明，從1969~1971年，內核旋轉速度稍慢。之后，在1971~1974年期間，內核開(kāi)始向另一個(gè)方向旋轉。
2013年，赫爾沃耶及其團隊發(fā)表的一項研究顯示，他們所推測的地球內核差速旋轉周期為20~30年，赫爾沃耶向《中國新聞周刊》表示，學(xué)界對此并未達成共識。
赫爾沃耶認為，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)，現有研究一般通過(guò)大地震和地震儀預測內核相關(guān)數據，地震和地震儀在全球分布并不均勻，使得數據觀(guān)測結果無(wú)法像醫生治病那樣，對病人身體有全面認識。他認為，需要更有效處理數據，并在此基礎上創(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(guān)察未來(lái)內核旋轉將如何變化。
這項研究還給出地球內核及其他地表各個(gè)圈層相互作用的首個(gè)直接證據。宋曉東分析說(shuō)，研究發(fā)現，內核旋轉變化與地球表面系統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)是源自于地球內部，并延伸到太空的磁場(chǎng)。宋曉東表示，雖然內核旋轉變化的具體機制還不清楚，但看起來(lái)這種變化是地球的內核、外核、地幔和地表之間，形成的耦合共振系統的結果。
“‘地球內核旋轉暫?；蚍崔D’是很自然的現象，可能和氣溫、海平面以及磁場(chǎng)的周期性擾動(dòng)有關(guān)?！睏钜矸治稣f(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果，可能導致一天比50年前一天長(cháng)或短千分之一秒，具體時(shí)長(cháng)取決于內核的旋轉速度。這種微小變化，人們在日常生活中察覺(jué)不到。
但搞清地核內部構造，對了解其何時(shí)不再適合人類(lèi)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，生命將不復存在。但同時(shí)，他認為，不必過(guò)于擔心，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為火星核心液體部分太小，還是因為其他原因，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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