地球的核心正在變形?
2021年06月19日11:40

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  Part.1

  地球的內部就像是一顆洋蔥,可以分為不同的層。地球的最外面是一層薄而寒冷的岩石外殼,它包裹著一層厚約2900千米的熱岩地幔。地球的核心由兩部分組成,一部分是由液態的鐵和鎳構成的外核,還有一部分是由固態的鐵和鎳構成的內核。

  地球的結構。

  素材來源:ArtsyBeeKids / pixabay

  隨著時間的推移,地球溫度下降,液態的外核逐漸凍結、凝固,生長成新的內核。如今,固態的鐵鎳內核半徑已達到1200千米。最近,加州大學伯克利分校的一組研究人員發現,由於某種未知的原因,自地球的鐵鎳內核從熔融狀態凍結成固態這一過程開始,固體內核的一側就比另一側增長得更快。新的結果發表在了近期的《自然-地球科學》雜誌上。

  Part.2

  大約在30多年前,有研究發現地震波從北到南的傳播速度比從東到西更快。然而,沒有人知道這是為什麼。在一項新研究中,為瞭解釋這種現象,研究人員創建了一個基於地球動力學和高溫高壓下的礦物物理學的計算機模型。他們用這個模型來模擬鐵晶體在地核的不同增長模式,以此來模擬不同的地核。

  通過調整模型里的一些參數來擬合地震儀所記錄的數據,他們發現,唯一可以解釋這種困擾了科學家30多年的現象的,是一個不對稱增長的內核模型——當他們將地球的內核模型調整為東側增長的比西側快大約60%時,得到的數據與地震儀所記錄的數據最為吻合。

  一個新的模型表明,東側的內核的增長速度比西側更快。

  圖片來源:Marine Lasbleis

  一直以來,科學家認為在重力的作用下,隨著熔融鐵的冷卻而形成的固態鐵晶體會均勻地分佈,使得地球的內核保持為一個半徑平均每年增長約1毫米的球形。但新的模擬結果意味著在地球的內核中,鐵的凝結是有“偏向性”的,它在東側凝結得比西側更多,而非像科學家之前所預期的那樣隨機、均勻分佈。

  鐵的凝結為何會優先地朝著一個方向?研究人員認為,隨著鐵晶體的生長,重力會將內核中多餘的生長從東側向西側重新分配。這種在相對柔軟的內核中發生的晶體移動,會使晶格沿地球的旋轉軸向西排列的程度大於向東排列的程度。

  隨著液態鐵外核(橙色)的凍結,固態的鐵內核(紅色)緩慢增長。地震波在地球南北兩極(藍色箭頭)之間穿過地核的速度,比穿過赤道(綠色箭頭)要快。研究人員認為,這種速度上的差異可能由晶體的排列造成的,因為它們本身是各向異性的。

  圖片來源:Daniel Frost

  這種不對稱增長還與另一個重要的問題息息相關,那就是地球磁場。在外核和地幔中,都有對流發生。鐵在內核的凝固過程會釋放熱量,這能造成外核的緩慢沸騰;而在地幔中,隨著較熱的岩石向上移動,熱量被從地球核心帶到地表。液態的鐵外核中所發生的劇烈沸騰,導致了地球磁場的產生。

  如果地球內核的增長是不對稱的,那麼保護了地球免受來自太陽的危險粒子的傷害的地球磁場就會受到影響,這又進一步意味著這種不對稱增長對於地球上的生命史也有著重要意義。

  在新的研究中,研究人員根據內核的熱量流失方式和溫度,計算出了地球內核的年齡範圍——在5億年到15億年之間。關於內核年齡的爭論已經持續了很長時間,因為它涉及到這樣一個問題,即地球磁場是如何在固體內核存在之前就已經存在了?

  與已知存在了30億年的地球磁場相比,內核是非常“年輕”的。如果內核最多隻存在了15億年,那麼更古老的磁場從何而來?這是否意味著那時候必然有其他過程推動了外核的對流?研究人員認為,較為年輕的內核年齡可能意味著在地球的早期歷史中,讓液態地核沸騰的熱量並非來自於鐵的凝結,而是來自於其他輕元素從鐵中分離。

  Part.3

  新的地核生長模型除了給我們帶來了關於內核年齡的信息之外,也同時為地球中心鎳和鐵的比例給出了範圍。結果表明,當鎳占到內核的4%到8%時,模擬結果可以準確地再現地震觀測結果。這是接近金屬隕石的比例,而這些金屬隕石曾經可能是太陽系中的矮行星的內核。該模型還能告訴地質學家地核的黏度,或者說其流體程度。

  雖然對於究竟是什麼原因造成了這種不對稱內核,還尚無定論,但研究人員認為,這種不對稱的增長是由某種未知的力量使得地球的東側比西側冷卻得更快而造成的。一個可能的原因是東半球不斷增加的俯衝作用,帶走了地殼的寒冷部分,並將其置於地殼和地幔邊界附近。

  接下來,研究人員計劃繼續探索內核的增長將如何影響外核的流動,以此來揭開更多關於地球核心的秘密。

  參考文獻:

  https://news.berkeley.edu/2021/06/03/is-earths-core-lopsided-strange-goings-on-in-our-planets-interior/

  https://www.nature.com/articles/s41561-021-00761-w

  封面及首圖來源:Marine Lasbleis

  本文來源:原理

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