地球“內心”最深處：或是“鐵石心腸”

牛荷

2月22日，澳大利亞國立大學一項發表在《自然·通訊》上的研究，通過測量地震波穿過地球內核的速度，發現地球最內核可能是一個半徑約650千米的鐵球，且與地球內核的外層分離。

今年1月，北京大學研究團隊發表在《自然·地球科學》的一項研究顯示，地球內核從1970代初起相對于地表超速旋轉，到2009年左右轉速基本與地表同步，再進而出現緩慢的反轉。研究推測，地球內核這一旋轉過程的周期大約為70年。

長久以來，地核由于處于地球深部，一般探測器無法取樣檢測，一直都是謎一樣的存在。國內外這兩項研究發表后，引發廣泛討論。

“研究地球內核的深層可以更多了解地球的過去和演化。內核就像地球進化史的‘時間膠囊’，能讓人們了解數億至數十億年前地球上發生的事件。”其中一項研究的作者、澳大利亞國立大學地震學和數學地球物理學系主任、教授赫爾沃耶·特卡爾契奇對《中國新聞周刊》說。

地球的結構就像一個俄羅斯套娃，從外到內分為四層，依次為地殼、地幔、液態的地球外核、固態的地球內核。其中，地球內核占地球體積比例不足1％，卻是地球命運的“時間膠囊”。由于無法直接觀測，根據其他行星核心的組成來推測，地球內核被認為由鐵和鎳組成。

澳大利亞國立大學的研究團隊發現地球內部或存在第五層：最內核。地球最內核概念的產生最早可追溯至2002年，當時哈佛大學兩位地震學家，基于地震波穿過內核的速度特性，首次提出相關概念。“我們現在提供了另一條證據來證明這一假設。”澳大利亞國立大學地球科學研究院博士后潘清山表示，他和赫爾沃耶共同參與了這項最新的研究。

目前關于地核的已知信息，都是根據地震波數據推測。地震波是由于地震、火山或其他原因，在地球內部或沿地球表面傳播并穿過地球內層的振動。研究地震波傳播速度等性質，可了解地球內部結構分層及運動狀況。1936年，丹麥地球物理學家英厄·萊曼通過研究地震波在地球內部傳播的數據，發現地球有一個液態外核和一個固態內核。

赫爾沃耶告訴《中國新聞周刊》，他們團隊分析了過去十年中大約200次6級及以上地震的數據，一共提出了三條獨立的證據線，通過三個不同類型的地球物理數據集，以不同方式“看到”最深處的內核。

《紐約時報》2月24日報道，已知的是，地震波穿過地球內核的速度會隨著方向不同而變化。其中，沿著地軸從一極到另一極傳播最快，而垂直于地軸傳播速度最慢。地球物理學家認為，這種速度差異是由內核中鐵晶體的排列引起。

澳大利亞國立大學的研究人員發現，地震波通過最內核與內核外層的傳播時間存在差異，據此推測，最內核結晶結構可能與外核不同。赫爾沃耶等認為，地球進化過程中，地球最內核晶體結構發生了變化。

赫爾沃耶分析說，用地震波來測量，就像醫學物理學家和放射科醫生使用X射線一樣。在他看來，最內核比內核外殼更微妙，通過地震波觀察難度更大。地震波穿過地核時會逐漸變弱。

地震波捕捉通常要依靠地震儀。“地震儀具有局限性，因為其大體只有在地震足夠大、地震波足夠強時才能捕捉到信號。”赫爾沃耶分析說，他們在研究中使用一種“堆疊”技術，將單個波形組合在一起。簡而言之，通過多個地震儀記錄的數據，可以將穿過地核時減弱的地震波信號增強。通過這種方式，他們首次觀察到，地震波能夠沿地球直徑，來回傳播多達五次。每次加強的地震波從地球一側傳到另一側約20分鐘，5次共100分鐘，他將這一過程描述為類似“乒乓球來回彈跳”。

“最內核的存在可以讓科學家更好了解地球磁場，它當中可能蘊藏著解開地球形成的秘密。”赫爾沃耶說。

研究人員認為，這一內界面或許反映出內核的生長曾發生過快速變化。赫爾沃耶說，內核并不像地球那么古老。目前，地球內核每年增長約1毫米，按照這個速率推算，內核約有10億年歷史。這項研究或將解開另一個難題，地球內核中的鐵與地表的鐵晶體結構大不相同，因為地球內核壓力是地表大氣壓的約300萬倍，溫度約為5500攝氏度。

英國廣播公司（BBC）2015年8月發布的一篇文章稱，地表實際含鐵量比人們想象中要少得多。因此，有理論認為，在45億年前地球形成之時，大量的鐵都沉降到地核中。

2022年，來自美國羅切斯特大學一項發表于《自然通訊》的研究提出，地球固體內核非常重要，該文作者約翰·塔爾杜諾表示，“內核形成前，地磁場已在崩潰邊緣，但內核逐漸形成后，地磁場再生。”

北京大學地球與空間科學學院特聘副研究員楊翼對《中國新聞周刊》解釋說，凝固地球內核釋放的潛熱，能夠驅動液態外核中的對流，從而產生地磁場。沒有內核，外核對流會大大減弱，磁場會弱非常多。

澳大利亞國立大學的研究人員認為，目前仍需進一步研究最內核與內核外殼間過渡的特征。多名地震學專家告訴《中國新聞周刊》，在科學界，最內核存在與否，以及最內核具體大小目前仍存在爭議。楊翼分析說，最內核與內核外層性質到底差異在哪，還要更多數據證實。今年1月，他和北大地球與空間科學學院教授宋曉東發布了關于地球內核反轉的相關研究。

宋曉東對《中國新聞周刊》分析說，赫爾沃耶團隊預測出最內核半徑為650千米不算最新發現。2008年，他所在研究團隊就發現，最內核半徑是內核的一半左右，當時推測出的最內核半徑與650千米的差異不足10％。“最內核半徑測量誤差很大，每次測量的數據可能都存在一定差異。”楊翼說，來自澳大利亞國立大學這項研究比較有價值的地方在于，其觀測中所用到的“堆疊”技術。

示意圖：地磁場源自于地球內部，并延伸到太空。圖/IC

地球內核通過液態外核與固體地球的其余部分隔開，使其能夠以不同于地球自身自轉的方式自轉。

1月23日，宋曉東團隊的新研究顯示，地球內核的旋轉可能已經暫停，甚至可能會反轉。“研究所說的內核旋轉的暫停或反轉，都是相對地表而言的動態，并非絕對意義的暫停或反轉。”楊翼向《中國新聞周刊》解釋說。赫爾沃耶謹慎地說，強調這一點很重要，許多媒體錯誤地報道地球內核停止運轉了，或者開始向相反方向旋轉。

這項新研究觀測了地震波從震源經過內核傳播到地球另一側的過程。通過比較同一震源多次地震引發的地震波，來追蹤穿過內核的地震波形和傳播時間的差異。研究人員回顧分析20世紀60年代末至2020年的地震波數據，發現地球內核旋轉的變化。

早在1996年，宋曉東和哥倫比亞大學的地震學家首次觀測到，1960年代以來，穿透內核的地震體波，傳播時間在30年間逐漸縮短約0.3秒。研究顯示，內核超速旋轉導致了變化。不過，地球內核的旋轉速率目前仍有不確定性，旋轉速率本身也很可能發生改變。“（旋轉）這一現象基本被證實，現在的研究更多是描述內核轉動的運動狀態和運動機理。”宋曉東說。

楊翼表示，因為差速旋轉，內核相對地表從上世紀70年代初開始往東“擺動”，到2009年左右停止，并開始往西“擺動”，預計到本世紀40年代初又逐漸向東“擺動”。

但學界對此也有爭議。據“科學警告”網站去年6月10日報道，美國南加州大學洛杉磯分校的地球物理學家約翰·維戴爾表示，他們發表在《科學進展》上的一項研究表明，從1969～1971年，內核旋轉速度稍慢。之后，在1971～1974年期間，內核開始向另一個方向旋轉。

2013年，赫爾沃耶及其團隊發表的一項研究顯示，他們所推測的地球內核差速旋轉周期為20～30年，赫爾沃耶向《中國新聞周刊》表示，學界對此并未達成共識。

赫爾沃耶認為，不同研究得出的周期存在差異，反映出地球物理推斷的本質。在他看來，現有研究一般通過大地震和地震儀預測內核相關數據，地震和地震儀在全球分布并不均勻，使得數據觀測結果無法像醫生治病那樣，對病人身體有全面認識。他認為，需要更有效處理數據，并在此基礎上創新，跳出條條框框去思考。

楊翼和宋曉東表示，研究的下一步是建立更有效的量化模型，并觀察未來內核旋轉將如何變化。

這項研究還給出地球內核及其他地表各個圈層相互作用的首個直接證據。宋曉東分析說，研究發現，內核旋轉變化與地球表面系統的周期性變化相吻合，比如在磁場和日照時間等方面，說明地球不同層之間可能存在相互作用。

地磁場是源自于地球內部，并延伸到太空的磁場。宋曉東表示，雖然內核旋轉變化的具體機制還不清楚，但看起來這種變化是地球的內核、外核、地幔和地表之間，形成的耦合共振系統的結果。

“‘地球內核旋轉暫停或反轉’是很自然的現象，可能和氣溫、海平面以及磁場的周期性擾動有關。”楊翼分析說，但是這種變化的影響幅度很小，他們的研究得出，這種變化最終影響的結果，可能導致一天比50年前一天長或短千分之一秒，具體時長取決于內核的旋轉速度。這種微小變化，人們在日常生活中察覺不到。

但搞清地核內部構造，對了解其何時不再適合人類居住至關重要。赫爾沃耶表示，未來，如果整個液態地核變成固態，地磁場也會隨之消失，生命將不復存在。但同時，他認為，不必過于擔心，這一過程需要幾十億年。赫爾沃耶解釋說，火星上也存在過磁場，但后來消失了。赫爾沃耶正試圖弄清楚這是因為火星核心液體部分太小，還是因為其他原因，比如火星核心的化學組成不支持對流。