地球核心的探索之旅

时间:2017-02-10 11:00:10
频道:地球故事
来源:原理
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地球核心的探索之旅, 地球核心的神秘“第三元素”究竟是什么?这个问题一直困扰着科学家。一直以来,科学家认为地核主要由85%的铁、10%的镍以及另外5%的氢元素组成。但是关于轻元素的

 地球核心的神秘“第三元素”究竟是什么?这个问题一直困扰着科学家。一直以来,科学家认为地核主要由85%的铁、10%的镍以及另外5%的氢元素组成。但是关于轻元素的含量一直存在争议。近日,日本科学家通过实验表明,地核的“第三元素”很可能是硅,但还需要更多的证据。借此机会,我们就来了解一下科学家是如何探索地球的核心。

 

人类的足迹已经遍布了整个地球。我们征服了陆地、在空中翱翔、潜入最深的海沟,甚至已经登上了月球。然而,我们却从未能深入地球最核心的部位。

 

地球的中心点位于地下 6000 公里深处,即使最外层的地核部分与我们也有近 3000 公里的距离。目前人类钻探的最深孔洞是位于俄罗斯的科拉超深钻孔,但它也只深入地下12.3 公里而已。

 

地球上所有的熟悉事件都发生在接近地表的区域。而在地下仅仅数百公里的地方,火山口喷出的岩浆便开始熔化。即使是需要在极端高温和高压条件下才能形成的钻石,其生成之处也只在地表以下不到 500 公里。

 

这一深度以下的地球内部仍是一片未知领域。然而,我们对地核的情况还是有相当深入的了解,甚至对它在过去数十亿年间的演化进程也略知一二。下面记载的,就是揭开地核面纱的过程。

 


△ 对于事情的宏观计划,这些都无足轻重。(图片来源:Torrenegra)


来自于英国剑桥大学的西蒙·雷德芬 (Simon Redfern) 表示,开始这个过程的一个好方法就是思考地球的质量。

 

我们可以通过观察地球对地表的物体的引力来估算地球质量。经计算,地球的质量为59万亿亿吨,也就是59后面再加20个0。

 

单从表面来看,地球的质量不会有这么大。

 

雷德芬说:“地球表面物质的密度远低于整个地球的平均密度,这就提醒我们一定存在一些密度更高的物质。”

 

本质上,地球质量的绝大部分必定存在于靠近地核的区域。接下来是要弄清楚地核究竟是由怎样的高密度物质组成的。

 


△ 地球就是由这样的铁组成的,只是没有上图的铁钩和铁锈。(图片来源:JonWilson/SPL)

 

这一问题的答案是:几乎可以确定地核主要是由铁组成的。人们认为地核中大约 80% 的成分是铁,尽管精确的数值仍有待确定。

 

支持这一结论的主要证据是:铁大量存在于我们周围的宇宙中。它是银河系中最常见的十大元素之一,同时也普遍存在于陨石之中。

 

鉴于铁普遍存在于地核中,地表的实际含铁量就比我们想象中要少得多了。所以理论认为,在 45 亿年前地球形成之时,大量的铁都沉降到地核中了。

 

那里是地球大部分质量的所在,也必然是大部分铁的聚集之处。在正常条件下,铁是相对密集的元素,在地核的极端高压环境下,它可能被压缩至更大的密度,这样便可解释所有缺失的质量了。

 

但是且慢,铁最初又是如何到达地核的?



△ 圣安德烈(San Andreas)斯断层会触发大地震。(图片来源:US Geological Survey/SPL)

 

铁元素必定受到了重力影响,向着地核沉降。但具体过程目前还不清楚。

 

地球剩余的大部分是由一种名为“硅酸盐”的岩石物质组成,而处于熔融状态的铁必须想办法穿过这些岩石,从而抵达地核。类似于水在油腻表面上形成的液滴,铁也会聚拢形成小的聚集区,而不会向周围扩散和流动。

 

2013 年,美国斯坦福大学的毛立文 (Wendy Mao) 和她的同事们找到了一个可能的解决方案。他们想知道,当铁与硅酸盐一同暴露于极端高压环境时将会如何 — 而这正是地球内部深处的环境条件。

 

通过使用金刚石极度挤压这两种物质,研究人员迫使熔化的铁流经硅酸盐。

 

毛立文说:“压力实际上改变了铁与硅酸盐相互作用的性质。在高压下,一种‘熔融网络’(melt network)形成了。”

 

这表明,铁元素很可能在数百万年的漫长时间里被逐渐挤压穿过地球的岩层,并最终到达地核区域。

 


△ 虽然地震极具破坏性,但我们也可以从中学到东西。(图片来源:Peter Menzel/SPL)

 

你可能会好奇我们是如何得知地核大小的。答案很简单:地震学。

 

当地震发生时,它发出的冲击波将穿过整个地球。地震学家会记录这些震动情况。这就好比我们用一个巨大的锤子敲击地球的一端,然后在另一端聆听其产生的声音。

 

雷德芬说:“在20世纪60年代,智利发生了一次强烈地震。那次地震留下了大量数据。” “分布在全球各地的地震台都记录到了该地震的到来。”

 

因为振动的传播路径不同,它们可能传到了地球上的不同角落,从而影响在另一端听到的“声音”。

 


△ 神户大地震的地震仪。(图片来源:Carlos Munoz-Yague/Eurelios/SPL)

 

早在地震学研究的初期,科学家们便发现有些震动消失了。这些 “S 波”信号从地球的一侧产生后,在另一侧本应该监测得到,结果却没有发现它们的任何迹象。

 

原因很简单。这些“S 波”信号只能只能穿过固态物质而无法穿过液态物质。

 

它们一定是在地核区域遇上了液态物质。通过对“S 波”传播路径的分析,结果显示:在地下大约3000公里处,岩石变为液态。

 

这表明整个地核都呈熔融状态。此外,地震学家又在其中发现了另外一个惊喜。

 


△ P波(红色)、S波(黄色)、表面波(淡紫色)。(图片来源:Gary Hincks/SPL)

 

20 世纪 30 年代,丹麦地震学家英奇•雷曼 (Inge Lehmann) 注意到另一种波,即 P 波,它意外地穿过地核,且能够在地球的另一侧被检测到。

 

她提出了一个惊人的解释理论:地核分成两层。始于地下 5000 公里的“内层”核心其实是固态的。只有内核以上的“外层”核心才是熔化的。

 

1970 年,雷曼的理论最终得到证实。更加敏感的地震仪发现P波的确穿过地核,在某些情况下甚至以特定角度发生偏斜。但即便如此它们最终还是到达了地球的另一端。

 

产生有用冲击波穿越地球的不仅只有地震。事实上,地震学的成功很大一部分要归功于核武器的发展。

 


△ 1957年,在内华达州引爆了一枚原子弹。(图片来源:US Department of Energy/SPL)

 

核爆炸同样会在地面产生震动波,因此各国都通过地震学来检测核武器测试。在冷战期间,这项工作尤其重要,因此像英奇•雷曼这样的地震学家们都倍受鼓舞。

 

现在,我们可以大致描绘出一幅地球结构图。地球内部有一个熔融状态的外核,它外表层大约在地球半径的一半深度处。在其内部,还有一个直径约1220公里的固态内核。

 

但除此以外,还有很多工作需要尝试和梳理,尤其是关于内核这一部分。首先就是,它的温度有多高?

 


△ 在正常条件下,铁的熔点是1538摄氏度。(图片来源:Ria Novosti/SPL)

 

英国伦敦大学学院的李敦卡·沃卡德罗 (Lidunka Vočadlo) 表示,这个问题的相当棘手,它困扰了科学家许久,直到近期才有所进展。我们不可能把温度计放在地核中,所以唯一的解决办法是在实验室中模拟同等的压溃压力。

 

2013年,一个法国研究团队创建出了迄今为止最好的模拟条件。他们将纯铁置于压力略超过地核压力一半的环境中,由此推测地核的温度。他们得出的结论是:在地核温度下,纯铁的熔点约为 6230 摄氏度。其他物质的存在导致熔点会有所下降,大约为 6000 摄氏度,但却仍旧非常炎热,与太阳表面的温度相当。

 

虽然有点像烤焦的马铃薯,但多亏了地球形成过程中保留的热量,地核才一直保持温热。同时,地核还还从地球内部大密度物质的摩擦以及放射性元素的衰变过程中吸取热量。但尽管如此,每隔10亿年地核的温度也会冷却大约100摄氏度。

 

了解地核的温度情况非常有用,因为它会影响震动波在地核内的传播速度。这个问题非常重要,因为振动本身还存在一些奇怪的现象。

 


△ 地球的内部构造。(图片来源:Roger Harris/SPL)


P 波在穿过地球内核时速度异常的慢,比内核由纯铁组成的情况下的速度还要慢。

 

沃卡德罗说:“地震学家在地震波或其他震动波中测到的波速远低于我们在实验中或在计算机上模拟时得到的结果。目前还没有人知道原因是什么。”

 

这表明,地核中还有另外一种物质。

 

它可能是另外一种金属:镍。但科学家对地震波在铁镍合金中传播的情况进行了估测,但似乎也与观察到的结果不甚吻合。

 


△ 地球产生的振动波在地球上纵横交错。(图片来源:Patrick Landmann/SPL)


沃卡德罗和她的同事们现正考虑地核中是否可能有其他元素,例如硫和硅。到目前为止,还没有任何人能够提出一个让所有人都满意的有关内地核构成理论。

 

沃卡德罗尝试在计算机上模拟构成内地核的物质。她希望能够找出一种物质、温度以及压力的组合恰好可以合适地减缓地震波的速度。

 

她说,其中的奥秘可能就在于内核几乎处于熔点的温度。因此,物质的精确特性可能会与它们在完全固态下的情况有所不同。


这就能解释为何地震波经过内核时比预计的速度更慢了。

 

“如果实际效果如此,我们就可以把矿物物理学的结果与地震学结果协调起来了,”沃卡德罗说,“在此之前,还没有人能做到这一点。”

 


△ 地球的磁场延生至太空。(图片来源:Andrzej Wojcicki/SPL)

 

关于地核,仍然有大量的谜题尚未解决。但是无需挖掘到不可企及的深邃之地,科学家们已经就已然了解了大量有关地下事物的信息。

 

地球深处那些隐秘的演变过程对我们的日常生活至关重要,而我们中的很多人却并未意识到这一点。

 

地球拥有一个强大的磁场,这要归功于地球拥有液态的外核。液态铁的持续运动在地球内部创造了电流,从而衍生出一个延伸至太空的磁场。

 

而这个磁场又保护我们不受太阳辐射的伤害。如果地核的构成和状态不像现在这样,那么就不会存在地磁场,而我们也将面临各种生存危机。

 

没有人能够见到地核,但是只要它在那儿,我们便很安心。

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