地球的核心究竟有什麼?

人類已經遍布整個地球。我們已經征服了陸地、可以在空中翱翔、能夠潛入最深的海溝,甚至還登上了月球。然而我們卻從未能去過地球的核心部位。

地球的中心點位於地下 6000 公里深處,即使最外層的地核部分與我們也有近 3000 公里的距離。目前人類鑽探的最深孔洞是位於俄羅斯的科拉超深鑽孔,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發生在接近地表的區域。而在地下僅僅數百公里的地方,火山口噴出的岩漿便開始熔化。即使是需要在極端高溫和高壓條件下才能形成的鑽石,其生成之處也只在地表以下不到 500 公里。

這一深度以下的地球內部仍是一片未知領域。然而,我們對地核的情況還是有相當深入的了解,甚至對它在過去數十億年間的演化進程也略知一二。下面記載的,就是揭開地核面紗的過程。

來自於英國劍橋大學的西蒙·雷德芬 (Simon Redfern) 表示,開始這個過程的一個好方法就是思考地球的質量。

「地球質量的絕大部分必定存在於靠近地核的區域」。

我們可以通過觀察地球對地表的物體的引力來估算地球質量。經計算,地球的質量為59萬億億噸,也就是59後面再加20個0。

單從表面來看,地球的質量不會有這麼大。

雷德芬說:「地球表面物質的密度遠低於整個地球的平均密度,這就提醒我們一定存在一些密度更高的物質。」

本質上,地球質量的絕大部分必定存在於靠近地核的區域。接下來是要弄清楚地核究竟是由怎樣的高密度物質組成的。

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Image caption 是的,就像這樣的鐵 — 只是沒有鐵鉤和鐵鏽(圖片來源: Jon Wilson/SPL)

這一問題的答案是:幾乎可以確定地核主要是由鐵組成的。人們認為地核中大約 80% 的成分是鐵,儘管精確的數值仍有待確定。

支持這一結論的主要證據是:鐵大量存在於我們周圍的宇宙中。它是銀河系中最常見的十大元素之一,同時也普遍存在於隕石之中。

鑒於鐵普遍存在於地核中,地表的實際含鐵量就比我們想像中要少得多了。所以理論認為,在 45 億年前地球形成之時,大量的鐵都沉降到地核中了。

那裏是地球大部分質量的所在,也必然是大部分鐵的聚集之處。在正常條件下,鐵是相對密集的元素,在地核的極端高壓環境下,它可能被壓縮至更大的密度,這樣便可解釋所有缺失的質量了。

但是且慢,鐵最初又是如何到達地核的?

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Image caption 聖安德烈斯斷層會觸發大地震(圖片來源: US Geological Survey/SPL)

鐵元素必定受到了重力影響,向著地核沉降。但具體過程目前還不清楚。

地球剩餘的大部分是由一種名為「硅酸鹽」的岩石物質組成,而處於熔融狀態的鐵必須想辦法穿過這些岩石,從而抵達地核。類似於水在油膩表面上形成的液滴,鐵也會聚攏形成小的聚集區,而不會向周圍擴散和流動。2013 年,美國斯坦福大學的毛立文 (Wendy Mao) 和她的同事們找到了一個可能的解決方案。他們想知道,當鐵與硅酸鹽一同暴露於極端高壓環境時將會如何 — 而這正是地球內部深處的環境條件。

通過使用金剛石極度擠壓這兩種物質,研究人員迫使熔化的鐵流經硅酸鹽。

毛立文說:「壓力實際上改變了鐵與硅酸鹽相互作用的性質。在高壓下,一種『熔融網絡』形成了。」

這表明,鐵元素很可能在數百萬年的漫長時間裏被逐漸擠壓穿過地球的岩層,並最終到達地核區域。

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Image caption 地震極具破壞性,但我們也可以從中學到東西(圖片來源: Peter Menzel/SPL)

你可能會好奇我們是如何得知地核大小的。答案很簡單:地震學。

當地震發生時,它發出的衝擊波將穿過整個地球。地震學家會記錄這些震動情況。這就好比我們用一個巨大的錘子敲擊地球的一端,然後在另一端聆聽其產生的聲音。

雷德芬說:「在20世紀60年代,智利發生了一次強烈地震。那次地震留下了大量數據。」 「分佈在全球各地的地震台都記錄到了該地震的到來。」

因為振動的傳播路徑不同,它們可能傳到了地球上的不同角落,從而影響在另一端聽到的「聲音」。

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Image caption 神戶大地震的地震儀(圖片來源: Carlos Munoz-Yague/Eurelios/SPL)

早在地震學研究的初期,科學家們便發現有些震動消失了。這些 「S 波」信號從地球的一側產生後,在另一側本應該監測得到,結果卻沒有發現它們的任何跡象。

原因很簡單。這些「S 波」信號只能只能穿過固態物質而無法穿過液態物質。

它們一定是在地核區域遇上了液態物質。通過對「S 波」傳播路徑的分析,結果顯示:在地下大約3000公里處,岩石變為液態。

這表明整個地核都呈熔融狀態。此外,地震學家又在其中發現了另外一個驚喜。

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Image caption 紅色: P 波。黃色: S 波。淡紫色:表面波(圖片來源: Gary Hincks/SPL)

20 世紀 30 年代,丹麥地震學家英奇•雷曼 (Inge Lehmann) 注意到另一種波,即 P 波,它意外地穿過地核,且能夠在地球的另一側被檢測到。

她提出了一個驚人的解釋理論:地核分成兩層。始於地下 5000 公里的「內層」核心其實是固態的。只有內核以上的「外層」核心才是熔化的。

1970 年,雷曼的理論最終得到證實。更加敏感的地震儀發現P波的確穿過地核,在某些情況下甚至以特定角度發生偏斜。但即便如此它們最終還是到達了地球的另一端。

產生有用衝擊波穿越地球的不僅只有地震。事實上,地震學的成功很大一部分要歸功於核武器的發展。

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Image caption 1957年,在內華達州引爆了一枚原子彈(來源: US Department of Energy/SPL)

核爆炸同樣會在地面產生震動波,因此各國都通過地震學來檢測核武器測試。在冷戰期間,這項工作尤其重要,因此像英奇•雷曼這樣的地震學家們都倍受鼓舞。

現在,我們可以大致描繪出一幅地球結構圖。地球內部有一個熔融狀態的外核,它外表層大約在地球半徑的一半深度處。在其內部,還有一個直徑約1220公里的固態內核。

但除此以外,還有很多工作需要嘗試和梳理,尤其是關於內核這一部分。首先就是,它的溫度有多高?

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Image caption 在正常條件下,鐵的熔點是 1538攝氏度(來源: Ria Novosti/SPL)

英國倫敦大學學院的李敦卡·沃卡德羅 (Lidunka Vočadlo) 表示,這個問題的相當棘手,它困擾了科學家許久,直到最近才有所進展。我們不可能把溫度計放在地核中,所以唯一的解決辦法是在實驗室中模擬同等的壓潰壓力。

2013年,一個法國研究團隊創建出了迄今為止最好的模擬條件。他們將純鐵置於壓力略超過地核壓力一半的環境中,由此推測地核的溫度。他們得出的結論是:在地核溫度下,純鐵的熔點約為 6230 攝氏度。其他物質的存在導致熔點會有所下降,大約為 6000 攝氏度,但卻仍舊非常炎熱,與太陽表面的溫度相當。

雖然有點像烤焦的馬鈴薯,但多虧了地球形成過程中保留的熱量,地核才一直保持溫熱。同時,地核還還從地球內部大密度物質的摩擦以及放射性元素的衰變過程中吸取熱量。但儘管如此,每隔10億年地核的溫度也會冷卻大約100攝氏度。

了解地核的溫度情況非常有用,因為它會影響震動波在地核內的傳播速度。這個問題非常重要,因為振動本身還存在一些奇怪的現象。

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Image caption 地球的內部結構(圖片來源:Roger Harris/SPL)

P 波在穿過地球內核時速度異常的慢,比內核由純鐵組成的情況下的速度還要慢。

沃卡德羅說:「地震學家在地震波或其他震動波中測到的波速遠低於我們在實驗中或在計算機上模擬時得到的結果。目前還沒有人知道原因是什麼。」

這表明,地核中還有另外一種物質。

它可能是另外一種金屬:鎳。但科學家對地震波在鐵鎳合金中傳播的情況進行了估測,但似乎也與觀察到的結果不甚吻合。

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Image caption 地震產生的震動波在地球上縱橫交錯(圖片來源:Patrick Landmann/SPL)

沃卡德羅和她的同事們現正考慮地核中是否可能有其他元素,例如硫和硅。到目前為止,還沒有任何人能夠提出一個讓所有人都滿意的有關內地核構成理論。

沃卡德羅嘗試在計算機上模擬構成內地核的物質。她希望能夠找出一種物質、溫度以及壓力的組合恰好可以合適地減緩地震波的速度。

她說,其中的奧秘可能就在於內核幾乎處於熔點的溫度。因此,物質的精確特性可能會與它們在完全固態下的情況有所不同。

這就能解釋為何地震波經過內核時比預計的速度更慢了。

「如果實際效果如此,我們就可以把礦物物理學的結果與地震學結果協調起來了,」沃卡德羅說,「在此之前,還沒有人能做到這一點。」

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Image caption 地球的磁場遠延伸至太空(圖片來源: Andrzej Wojcicki/SPL)

關於地核,仍然有大量的謎題尚未解決。但是無需挖掘到不可企及的深邃之地,科學家們已經就已然了解了大量有關地下事物的信息。

地球深處那些隱秘的演變過程對我們的日常生活至關重要,而我們中的很多人卻並未意識到這一點。

地球擁有一個強大的磁場,這要歸功於地球擁有液態的外核。液態鐵的持續運動在地球內部創造了電流,從而衍生出一個延伸至太空的磁場。

而這個磁場又保護我們不受太陽輻射的傷害。如果地核的構成和狀態不像現在這樣,那麼就不會存在地磁場,而我們也將面臨各種生存危機。

沒有任何人能見到地核,但知道它在那兒,我們就會很安心。

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(責編:)

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