神秘地核：向下挖一個6000千米的洞能看到什麼？

1/15鳳凰科技訊北京時間8月18日消息，據英國BBC報導，人類早已統治地球，我們征服了高山、深海、天空甚至登陸了月球。但我們唯一沒去過的是地球核心。地球中心點位於地下6000千米深處，即使是地核最外部分也位於地下3000千米深處。目前人類在地表進行的最大地上鑿孔是位於俄羅斯的科拉超深鑽(KolaSuperdeepBorehole)，但它也只滲透到地下12.3千米而已。

2/15地球上一切熟悉的事都發生在地表附近。火山噴發出的熔岩也不過是在地下幾百千米深處熔化。即使是需要極高溫度和壓力形成的鑽石也起源於不超過500千米深處的岩石。地下深處究竟是什麼一直都是神秘未解之謎，它似乎深不可測。然而我們對地核的了解卻絲毫不少，我們甚至知道幾十億年前它是如何形成的——雖然我們手裡沒有任何地核樣本。

3/15探討這一問題的一個好的開始便是思考地球的質量，英國劍橋大學的西蒙·雷德芬(SimonRedfern)這樣說道。我們可以通過觀察地球對地表物體的引力來估計地球的質量。結果發現地球質量大約為五十九萬億億噸：也就是59後面20個零。但地球表面沒有任何跡象表明地球質量如此巨大。「地球表面的物質密度遠低於整個地球平均密度，所以我們知道一定存在某些非常密集的物體。」雷德芬說道。「這是首先確定的事。」本質上來說，地球大多數質量一定位於靠近地球中心的地方。下一步便是探討哪些重物質組成了地核。

4/15幾乎可以確定的是它主要是由鐵組成。核心大約80%是由鐵組成，儘管精確的數值仍有待確定。這其中的主要證據在於我們周圍宇宙存在大量的鐵。它是銀河系裡最常見的十大元素之一，且常發現於隕石。考慮到它的大量存在，地球表面存在的鐵似乎比我們預想的要少得多。所以理論認為當45億年前形成地球時，大量的鐵到達核心。這也是質量主要集中的部位，也是大多數鐵存在的位置。在正常條件下，鐵是相對密集的元素，在地核這樣的高壓環境裡，它可能被壓縮至更高的密度，因此鐵核心解釋了所有缺失的質量。那首先需要解決的問題是，鐵最初是如何到達地核的？

5/15鐵一定是被引力吸引至地心的，但具體過程目前還不清楚。地球剩餘的大部分質量是由名為矽酸鹽的岩石組成，熔化的鐵會流經這些岩石。這個過程有點類似油膩表面的熱水會形成水滴，鐵並不會散落開來，而是繼續流動。2013年美國史丹福大學的溫迪·毛（WendyMao）和她的同事發現了一個可能的解決方法。他們非常好奇當鐵和矽酸鹽都暴露在高壓環境下，也就是在地球深處環境裡，會發生什麼？利用鑽石將兩種物質緊緊的收聚在一起，研究人員迫使熔化的鐵流經矽酸鹽。「壓力其實改變了鐵與矽酸鹽發生相互作用的特性，」毛說道。「在高壓下形成了一個'熔化網絡'。」這表明在幾百萬年的時間裡鐵被逐漸壓縮經過地球的岩石，直到最終到達地核。

6/15你可能會好奇我們是怎麼知道地核的大小？科學家們依據什麼推斷地核始於地下3000千米深處？答案很簡單：地震學。當發生地震時，它會產生衝擊波，地震學家記錄下這些振動。這就好比我們用一個巨大的錘子敲地球一邊，然後在另一邊傾聽聲音。「二十世紀六十年代智利發生了一場地震，產生了很多數據，」雷德芬說道。「整個地球的各個地震台站都記錄了振動的到來。」因振動的路徑有所不同，它們可能會穿過地球不同地區，從而影響在另一端聽到的「聲音」。圖為神戶地震的地震儀。

7/15在地震學歷史早期，科學家們意識到有些振動缺失了。起源於地球一段的「S波」預計將出現在地球另一端，結果卻沒有發現它們的任何跡象。這一神秘缺失的原因很簡單。S波只會通過固體材料迴響，卻無法在液體裡彈回。所以它們一定在地球中心遇到某些融化態物質。通過描繪S波的路徑，科學家們發現岩石在3000千米深處變成液態。這表明整個地核是熔化的。此外，地震學還發現了另一個意外驚喜。圖中紅色：P波。黃色：S波。淡紫色：表面波。

8/1520世紀30年代，丹麥地震學家英奇·雷曼(IngeLehmann)注意到另一種名為P波的波，它意外的穿過核心，且能夠在地球另一端被探測到。她由此提出了一項令人驚訝的解釋理論：地核分為兩層。始於5000千米深處的「內層」核心其實是固態的。只有它以上的「外層」核心才是熔化的。雷曼的觀點最終在1970年被證實，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。產生有用衝擊波的不僅僅只有地震，事實上，地震學的很多成功都多虧了核武器的發展。

9/15核爆會在地面產生衝擊波，所以很多國家會使用地震學來關注核武器測試。在冷戰時期這是非常重要的，所以像雷曼這樣的地震學家得到了很多鼓勵。敵對國家可以了解到彼此的核能力，而我們可以了解更多有關地核的信息。直到現在地震學仍被用於檢測核爆。現在我們可以繪製一幅有關地球結構的圖。從地表到地球中央一半的位置是熔化的外核，在裡面則是直徑為1220千米的固態內核。目前仍有很多值得嘗試和梳理的，尤其有關內核。例如它究竟有多熱？

10/15結果證明這一問題特別棘手，它困擾了科學家們很多年，英國倫敦大學學院的林敦卡·沃卡多(LidunkaVočadlo)這樣說道。我們沒法在地核放一個溫度計，所以唯一的解決辦法就是在實驗室內創造正確的壓潰壓力。2013年一支法國研究小組產生了目前為止最好的溫度估計。他們將純鐵放在相當於地核壓力一半的壓力環境下，然後由此推測地核溫度。他們總結稱純鐵在地核溫度下的熔點約為6230攝氏度。其它材料的存在導致地核熔點會有所下降，大約為6000攝氏度左右。但它仍非常炙熱，相當於太陽表面溫度。

11/15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。它還能從密集物質到處移動產生的摩擦力，以及放射性元素衰變中獲得熱量。即便如此，每隔10億年地核大約冷卻100攝氏度。了解到這一溫度非常有用，因為它影響了振動穿過地核的速度。然而，振動本身還存在一些奇怪的現象。

12/15P波穿過內核時的速度出人意料的緩慢，比內核由純鐵組成的情況下速度要更慢。「地震學家在地震發生時測量到的波速比在實驗環境裡測量到的，或者電腦計算的都要慢得多，」沃卡多說道。「沒有人知道原因是什麼。」有人認為混合物裡可能有另外一種材料。它可能是另外一種金屬——鎳。但科學家們估計了地震波將如何穿過鐵-鎳合金，但結果似乎也與觀察到的結果不太符合。

13/15沃卡多和她的同事現在正在考慮是否可能還有別的元素，例如硫和矽。到目前為止尚未有人提出一個令人滿意的解釋內核組成部分的理論。沃卡多試圖在電腦上模擬內核的材料。她希望發現一種材料、溫度和壓力的正確結合恰好可以合適的減慢地震波。她表示秘訣在於內核幾乎處於熔點的溫度，因此材料的精確特性可能與完全固態時的有所不同。這可以解釋為什麼地震波經過內核時比預計的更慢。

14/15有關地核還有很多謎題等待解決。但是無需挖掘地球深處，科學家們已經了解到大量有用信息。地球深處隱藏的過程對於我們的日常生活至關重要，雖然很多人可能沒有意識到這一點。地球擁有一個巨大的磁場，而這部分多虧了地球炙熱的內核。熔化鐵的持續運動在地球內部創造了電流，這產生了一個延伸至太空的磁場。而這個磁場保護我們不受到有害太陽輻射的傷害。

轉載請註明來源：今天頭條