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《科学24小时》

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偏心的地球

2012-09-16 15:22:28


/张元国

 

科学研究发现,地球的心脏———地核并不在地球的正中央,而是偏向于西半球。

地球的心脏怎么会长歪了?

大家知道,地核分为内核和外核,外核是融熔的液体金属,内核是固态金属。内核直径有1200 千米,形成于数十亿年前炙热的地球开始冷却、重金属开始下沉之际。此后它开始缓慢增长,原因是它会从外核吸收和固化熔铁。

由此看来,内核和外核的界限泾渭分明,轻的液体在外层,重的固态金属在内层。理论上地球内核应该吸收外核的铁,使之结晶成为固态,并且越来越大。

但是,最近的研究表明,地球内核也在时刻熔化。这一过程就像跑步机,固态铁一直向东“运动”,到达东部边缘后开始熔化。

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换颗“心脏”只需一亿年

长期以来,科学家无法解释地核的运动方式。研究地球内部的难度在于我们没有办法从中取样。那么,科学家又是如何推知地球内部结构的呢?

通过陨星成分的分析和对地震波的观察,得出地核主要是由铁组成的。最近,法国里昂大学一个研究小组在模拟地核内铁镍颗粒的状态中发现,固态的地核正处于不断地更新之中:它在美洲大陆下的部分在不断凝固,在亚洲板块下的部分却在不断熔化。只需一亿年,这个铁球将会完全更新一次。

然而,地球目前的寿命已超过45 亿岁,它却仍有一颗年轻的“心脏”。之前地球物理学家一直认为,这个位于地球中心、直径2500 千米的内核固体铁球,处于包围着它的外核铁水中央,并随着整个地核的冷却逐渐扩大。

地心距离地表6000 千米,承受着5000℃的高温和300 万倍大气压的压强,一颗被铁水海洋所包围的巨大铁球就藏身于此。液态地核之外,就是从我们脚下30 千米到2900 千米,由固体矿物质组成的地幔。再往外就是地壳,它又被分成好几个地震带,地震波能横穿地球直达地心。

从地震波的传播速度能够推断出它所穿过介质的性质。我们知道,介质越坚硬,地震波传播得越快。这些地震波不仅能帮助我们了解到地表之下物质层的构造,而且也能使我们通过其奇异的表现,发现地球内部的秘密。

科学家发现,在液态地核内侧、固态地核边缘,地震波表现出一种不合常理的减速。这似乎反映出液态地核250 千米最深处的物质密度更大,这让科学家困惑不已。据此前的观测,铁在结晶时会向固体内核周围抛出一些轻元素,这些元素则会逃逸到液态地核中,所以这里完全不应该出现更重的元素。

而深入到固态地核内部,地震波的表现就变得更加奇怪,会出现一种反常现象:地震波在南北向上比在东西向上传播得更快。更奇怪的是,这种不规律性在美洲大陆下方的内核西半球表现得比在亚洲下方的东半球更明显。

不过,第三个怪异现象是,在内核最外层的100 千米也就是固态地核与液态地核交界处,地震波的速度无论在南北向还是东西向都是相同的。奇怪的是,地震波在该层西半球的传播速度却表现出比东半球慢。

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迷失方向的三个谜团

密度很大的液体层、弹性的各向异性(在不同方向上的力学和物理性能不同)和东西两半球不对称,即使是地核专家在这三个问题上也迷失了方向,除非有一种统一理论同时解决它。目前科学家有了一个完美的假说:固体内核不是从中心开始有规律地向外增长,而是在中美洲下方开始凝为固体,然后慢慢向东移动,最后在亚洲下方熔化。由于熔化的速度稍慢于凝固的速度,内核半径每年都在增加,这样它就与内核冷却模型所预测的一样。这种平行移动的想法太让人惊异。地球是圆的,地核是圆的,内核也是圆的,所以长期以来人们一直认为地球内部都是在做“同心圆运动”。这与我们的直觉完全背道而驰,可是地震波确凿显示了内核形态上的不对称性。

这样,地核平行移动的理论可以解释那三个长期困扰地球物理学家们的巨大谜团。首先,地核平行移动可以解释在液态地核内侧的稠密物质层。我们知道,组成地核的物质大部分是铁,但是还有其他更轻的元素如硫、硅、氧等。就像海水结成的冰几乎不含盐一样,结晶过程中铁也会驱逐周围其他密度较低的元素。当这些不含轻元素的铁再次熔化时,它们就会形成比液态地核密度更高的液体。难道这不是稠密物质层形成的原因吗?

地核平行移动理论还可以解释另外一个怪现象,那就是内核东西半球不对称性。地震波之所以在内核的东半球比在西半球传播得更快,那是因为在西半球形成的晶体是小颗粒的,这些小颗粒在向东迁移的过程中才慢慢变大。地震波会被小颗粒阻碍,然而它也能很快地穿过大的颗粒。如果铁晶体是在向东移动的过程中通过聚集左右的晶体而增大的话,那么地震波在西边穿过的应是小颗粒,而在东边穿过的则是大的颗粒。根据地震波观测数据推断,西半球颗粒直径在300 700 米之间,而在东半球则是7 15 千米。

至于第三个地球内部的各向异性在西半球比在东半球更明显。我们通过地核平行移动理论不难发现这主要是受温度的影响,不断增大的内核在高温下渐渐失去了它的各向异性,所以在内核东半球就会出现减弱的迹象。

从动力学观点上看,内核是很不稳定的。只要稍微被挤压一下,它就会继续向前并且永远在一边结晶而在另一边熔化。那么,内核这种平行移动理论的起因又是什么呢?

唯一能够解释内核如此规模向东移动的只有万有引力。因为内核的西边比东边稍冷一些,其密度也就稍大一些,为了保持整体平衡,内核的中心就会向东偏离。因而内核也就会在这一头熔化,而同时在另外一头凝固。于是,地球的心脏便越来越歪了。



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