地核里有什么

許英奎

上天容易入地難，雖然人類可以發射探測器到遙遠的外太陽系，可以用哈勃望遠鏡觀測百億光年以外的宇宙空間，卻很難對地球內部物質組成和結構有直觀的認識。目前，人類最深的鉆探工程也只達到地表以下一萬四千米，連地殼都沒有打穿。而探究地核物質是什么，只能依靠間接的方法。在這個過程中，地質學家和地球物理學家就像偵探一樣通過地核活動的蛛絲馬跡和他們嚴謹的邏輯分析，帶我們一步步揭開地核的面紗。

探測工具——地震波

地震波是科學家研究地球內部物質和結構的主要方法之一，地殼、地幔、地核的界面也是由地震波探測識別出來的。20世紀初，地球物理學家莫霍洛維奇在研究南斯拉夫的一次地震時候發現地震波傳播速度在地表下面30公里處存在一個不連續的界面，說明在這一深度上下物質密度相差很大，科學家們認為這個界面是地殼和地幔的分界面，稱作“莫霍面”。隨后，地震學家古登堡發現地下2900公里處也存在一個地震波急劇改變的界面，也就是地幔和地核的界面，稱為“古登堡面”。最初人們認為地核是液態的，因為橫波不能穿過液態物質，而地震波也顯示在這一界面出橫波消失。隨后丹麥女地質科學家萊曼對地核地震波速度進行了更精確的測量，發現在地核內部某一個界面處，橫波又重新出現，據此推測地核分為內核和外核，外核是液態物質而內核是固態物質。后來，科學家通過實驗發現地震波在地核中的傳播速度與其在鐵介質中傳播速度接近，于是推測地核可能是由高壓狀態下的鐵組成。

類比樣品——鐵隕石

另外一個研究地核物質的方法是鐵隕石。雖然我們無法拿到地核的樣品，但是可以通過類比樣品—鐵隕石來研究地核。鐵隕石被認為是分異后的小行星核部物質，在星際空間被其他天體撞擊后拋射降落到了地球。科學家對鐵隕石進行了大量的研究，其主要成分包括鐵、鎳和其他一些與鐵有親和性的元素，也稱為親鐵元素。雖然可以用鐵隕石類似代表地核，但是由于鐵隕石來源的小行星體積小，壓力小，無法和地球內部超高的壓力比較，而元素在超高壓的行為又“變化莫測”，因此還不能完全以鐵隕石代表地核。

地核中的輕元素

地核中除了鐵—鎳和親鐵元素之外，還有其他一些輕元素。這個觀點最早來源于對地核密度的評估，因為實際地核比鐵—鎳核的密度要低12～20%。有哪些元素可以在地核的溫壓條件下進入鐵核中呢？實驗巖石學家做了許多高溫高壓實驗，發現在極大的壓力下一些輕元素的行為會發生轉變，包括氧、硫、氫、堿金屬等都可能在地核中存在。這些輕元素不僅能降低地核的密度，對解釋地震波在地核和純鐵相的波速差異也有幫助。該領域是國際前沿熱點，目前尚不能準確評估地核中各種輕元素的含量。

地核發電機的動力來源

地核物質組成還需解釋的一個觀察事實是地球磁場的起源。科學家認為地磁場的產生跟地核的液態物質對流有關，因為持續變化的電場會產生穩定的磁場。但是要保持地核物質長期持續對流，需要非常多的熱量。如果沒有持續的熱量供給，地球也會像月球一樣，很早就失去磁場。科學家發現，地表的鉀元素在地球核幔邊界超高壓力下會和鐵結合形成合金，這樣會提高鉀在地核中的溶解度。而鉀元素具有天然的放射性同位素40鉀，40鉀在放射性衰變時釋放巨量的熱量，為地核發電機的持續運行提供了能量。因此，地核中的鉀元素可能會非常多。

雖然科學家已經初步識別出地核內的元素種類，但是更為詳細的工作還有待開展。相信不遠的將來，人類會對地核的物質組成有更為深入的認識。