地球“内心”最深处：或是“铁石心肠”
《中国新闻周刊》记者/牛荷
发于2023.3.13总第1083期《中国新闻周刊》杂志
2月22日，澳大利亚国立大学一项发表在《自然·通讯》上的研究，通过测量地震波穿过地球内核的速度，发现地球最内核可能是一个半径约650千米的铁球，且与地球内核的外层分离。
(资料图)
今年1月，北京大学研究团队发表在《自然·地球科学》的一项研究显示，地球内核从1970代初起相对于地表超速旋转，到2009年左右转速基本与地表同步，再进而出现缓慢的反转。研究推测，地球内核这一旋转过程的周期大约为70年。
长久以来，地核由于处于地球深部，一般探测器无法取样检测，一直都是谜一样的存在。国内外这两项研究发表后，引发广泛讨论。
“研究地球内核的深层可以更多了解地球的过去和演化。内核就像地球进化史的‘时间胶囊’，能让人们了解数亿至数十亿年前地球上发生的事件。”其中一项研究的作者、澳大利亚国立大学地震学和数学地球物理学系主任、教授赫尔沃耶·特卡尔契奇对《中国新闻周刊》说。
地核中心或是一个铁球
地球的结构就像一个俄罗斯套娃，从外到内分为四层，依次为地壳、地幔、液态的地球外核、固态的地球内核。其中，地球内核占地球体积比例不足1%，却是地球命运的“时间胶囊”。由于无法直接观测，根据其他行星核心的组成来推测，地球内核被认为由铁和镍组成。
澳大利亚国立大学的研究团队发现地球内部或存在第五层：最内核。地球最内核概念的产生最早可追溯至2002年，当时哈佛大学两位地震学家，基于地震波穿过内核的速度特性，首次提出相关概念。“我们现在提供了另一条证据来证明这一假设。”澳大利亚国立大学地球科学研究院博士后潘清山表示，他和赫尔沃耶共同参与了这项最新的研究。
目前关于地核的已知信息，都是根据地震波数据推测。地震波是由于地震、火山或其他原因，在地球内部或沿地球表面传播并穿过地球内层的振动。研究地震波传播速度等性质，可了解地球内部结构分层及运动状况。1936年，丹麦地球物理学家英厄·莱曼通过研究地震波在地球内部传播的数据，发现地球有一个液态外核和一个固态内核。
赫尔沃耶告诉《中国新闻周刊》，他们团队分析了过去十年中大约200次6级及以上地震的数据，一共提出了三条独立的证据线，通过三个不同类型的地球物理数据集，以不同方式“看到”最深处的内核。
《纽约时报》2月24日报道，已知的是，地震波穿过地球内核的速度会随着方向不同而变化。其中，沿着地轴从一极到另一极传播最快，而垂直于地轴传播速度最慢。地球物理学家认为，这种速度差异是由内核中铁晶体的排列引起。
澳大利亚国立大学的研究人员发现，地震波通过最内核与内核外层的传播时间存在差异，据此推测，最内核结晶结构可能与外核不同。赫尔沃耶等认为，地球进化过程中，地球最内核晶体结构发生了变化。
赫尔沃耶分析说，用地震波来测量，就像医学物理学家和放射科医生使用X射线一样。在他看来，最内核比内核外壳更微妙，通过地震波观察难度更大。地震波穿过地核时会逐渐变弱。
地震波捕捉通常要依靠地震仪。“地震仪具有局限性，因为其大体只有在地震足够大、地震波足够强时才能捕捉到信号。”赫尔沃耶分析说，他们在研究中使用一种“堆叠”技术，将单个波形组合在一起。简而言之，通过多个地震仪记录的数据，可以将穿过地核时减弱的地震波信号增强。通过这种方式，他们首次观察到，地震波能够沿地球直径，来回传播多达五次。每次加强的地震波从地球一侧传到另一侧约20分钟，5次共100分钟，他将这一过程描述为类似“乒乓球来回弹跳”。
“最内核的存在可以让科学家更好了解地球磁场，它当中可能蕴藏着解开地球形成的秘密。”赫尔沃耶说。
研究人员认为，这一内界面或许反映出内核的生长曾发生过快速变化。赫尔沃耶说，内核并不像地球那么古老。目前，地球内核每年增长约1毫米，按照这个速率推算，内核约有10亿年历史。这项研究或将解开另一个难题，地球内核中的铁与地表的铁晶体结构大不相同，因为地球内核压力是地表大气压的约300万倍，温度约为5500摄氏度。
英国广播公司(BBC)2015年8月发布的一篇文章称，地表实际含铁量比人们想象中要少得多。因此，有理论认为，在45亿年前地球形成之时，大量的铁都沉降到地核中。
2022年，来自美国罗切斯特大学一项发表于《自然通讯》的研究提出，地球固体内核非常重要，该文作者约翰·塔尔杜诺表示，“内核形成前，地磁场已在崩溃边缘，但内核逐渐形成后，地磁场再生。”
北京大学地球与空间科学学院特聘副研究员杨翼对《中国新闻周刊》解释说，凝固地球内核释放的潜热，能够驱动液态外核中的对流，从而产生地磁场。没有内核，外核对流会大大减弱，磁场会弱非常多。
澳大利亚国立大学的研究人员认为，目前仍需进一步研究最内核与内核外壳间过渡的特征。多名地震学专家告诉《中国新闻周刊》，在科学界，最内核存在与否，以及最内核具体大小目前仍存在争议。杨翼分析说，最内核与内核外层性质到底差异在哪，还要更多数据证实。今年1月，他和北大地球与空间科学学院教授宋晓东发布了关于地球内核反转的相关研究。
宋晓东对《中国新闻周刊》分析说，赫尔沃耶团队预测出最内核半径为650千米不算最新发现。2008年，他所在研究团队就发现，最内核半径是内核的一半左右，当时推测出的最内核半径与650千米的差异不足10%。“最内核半径测量误差很大，每次测量的数据可能都存在一定差异。”杨翼说，来自澳大利亚国立大学这项研究比较有价值的地方在于，其观测中所用到的“堆叠”技术。
地球内核不转了？
地球内核通过液态外核与固体地球的其余部分隔开，使其能够以不同于地球自身自转的方式自转。
1月23日，宋晓东团队的新研究显示，地球内核的旋转可能已经暂停，甚至可能会反转。“研究所说的内核旋转的暂停或反转，都是相对地表而言的动态，并非绝对意义的暂停或反转。”杨翼向《中国新闻周刊》解释说。赫尔沃耶谨慎地说，强调这一点很重要，许多媒体错误地报道地球内核停止运转了，或者开始向相反方向旋转。
这项新研究观测了地震波从震源经过内核传播到地球另一侧的过程。通过比较同一震源多次地震引发的地震波，来追踪穿过内核的地震波形和传播时间的差异。研究人员回顾分析20世纪60年代末至2020年的地震波数据，发现地球内核旋转的变化。
早在1996年，宋晓东和哥伦比亚大学的地震学家首次观测到，1960年代以来，穿透内核的地震体波，传播时间在30年间逐渐缩短约0.3秒。研究显示，内核超速旋转导致了变化。不过，地球内核的旋转速率目前仍有不确定性，旋转速率本身也很可能发生改变。“(旋转)这一现象基本被证实，现在的研究更多是描述内核转动的运动状态和运动机理。”宋晓东说。
杨翼表示，因为差速旋转，内核相对地表从上世纪70年代初开始往东“摆动”，到2009年左右停止，并开始往西“摆动”，预计到本世纪40年代初又逐渐向东“摆动”。
但学界对此也有争议。据“科学警告”网站去年6月10日报道，美国南加州大学洛杉矶分校的地球物理学家约翰·维戴尔表示，他们发表在《科学进展》上的一项研究表明，从1969~1971年，内核旋转速度稍慢。之后，在1971~1974年期间，内核开始向另一个方向旋转。
2013年，赫尔沃耶及其团队发表的一项研究显示，他们所推测的地球内核差速旋转周期为20~30年，赫尔沃耶向《中国新闻周刊》表示，学界对此并未达成共识。
赫尔沃耶认为，不同研究得出的周期存在差异，反映出地球物理推断的本质。在他看来，现有研究一般通过大地震和地震仪预测内核相关数据，地震和地震仪在全球分布并不均匀，使得数据观测结果无法像医生治病那样，对病人身体有全面认识。他认为，需要更有效处理数据，并在此基础上创新，跳出条条框框去思考。
杨翼和宋晓东表示，研究的下一步是建立更有效的量化模型，并观察未来内核旋转将如何变化。
这项研究还给出地球内核及其他地表各个圈层相互作用的首个直接证据。宋晓东分析说，研究发现，内核旋转变化与地球表面系统的周期性变化相吻合，比如在磁场和日照时间等方面，说明地球不同层之间可能存在相互作用。
地磁场是源自于地球内部，并延伸到太空的磁场。宋晓东表示，虽然内核旋转变化的具体机制还不清楚，但看起来这种变化是地球的内核、外核、地幔和地表之间，形成的耦合共振系统的结果。
“‘地球内核旋转暂停或反转’是很自然的现象，可能和气温、海平面以及磁场的周期性扰动有关。”杨翼分析说，但是这种变化的影响幅度很小，他们的研究得出，这种变化最终影响的结果，可能导致一天比50年前一天长或短千分之一秒，具体时长取决于内核的旋转速度。这种微小变化，人们在日常生活中察觉不到。
但搞清地核内部构造，对了解其何时不再适合人类居住至关重要。赫尔沃耶表示，未来，如果整个液态地核变成固态，地磁场也会随之消失，生命将不复存在。但同时，他认为，不必过于担心，这一过程需要几十亿年。赫尔沃耶解释说，火星上也存在过磁场，但后来消失了。赫尔沃耶正试图弄清楚这是因为火星核心液体部分太小，还是因为其他原因，比如火星核心的化学组成不支持对流。
《中国新闻周刊》2023年第9期
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