地球的深处是一个地狱般的地方。在地面以下5000多公里的地方，炽热的富铁核心的温度相当于太阳表面的温度，并且互相挤压的压力相当于20头蓝鲸站在一个邮戳上的重量。 这种极端环境有助于地球磁场的产生，这种遍布全球的力量使得地球表面存在生命得以可能。当太阳偶尔向地球喷射出带电粒子时，地球的磁场会将这种传入的轰炸反射出去。没有这种磁性的保护，太阳风暴将干掉地球表面上任何毫无防备的生命形态，并且逐渐地剥去地球的大气层。 数十年来，科学家们在对地球磁性的理解方面不断地发生争论并进行微调。科学家们达成的基本共识是：流经液态外核的热量有助于让熔铁四处飞溅，从而产生磁场。然而，在过去几年里，对地球磁性保护的新调查使得任何意义上的共识开始泛起涟漪。2012年，科学家们认为位于地球核心的铁所传导的热量比先前认为的要更容易。那将意味着如果它有磁场的话，地球外核的混合物较少，以及一个只有微弱磁场的年轻的地球，然而年代久远的岩石揭示了数百万年前对地球进行保护的早期的、强大的磁场的记录。 粘稠的中心 地壳：0-100公里厚/ 地幔：2900公里厚 外核：2200公里厚/ 内核(半径)：1250公里 在地球的外壳下面是半熔状态的地幔，它的体积占到地球的84%。在地幔下面是富铁核心。一旦全部熔化成液体，这个富铁核心就彻底地被冻结，从而产生一个不断生长的固体内核。来源：美国地质勘探局 今年1月份，超级计算机为这个困境提供了一种可能的解决路径。对电子在极端温度下如何围绕着铁原子弹跳的模拟以及在地球核心发现的压力都表明铁的热电导率可能真的足够低，以至于可以让地球在“青年期”就有强大的磁场。在接下来的几周时间里，研究人员认为这个谜题能够得以解决。然而，最近几个月，利用钻石和激光来重造地核“紧张态势”的实际试验对这个困境如此轻易地得到解决提出了质疑。 虽然对电导率上升和下降的预测似乎是科学家们在绕着圈转，但是它表明解决方法正在逼近，华盛顿特区卡内基科学研究所的地球物理学家彼得·德里斯科尔认为：“科学共同体从来没有向一个解决方案收敛，除非人们开始从两个方面开始推进。” 地狱之冰 地球的内核是一个充满了由宇宙碰撞而遗留的能量所填满的巨型热动力发动机，大约45亿年前形成月球的宇宙碰撞。随着地球逐渐冷却下来，这股原始的热能在包裹着地球固体内核的液体外层流动。一些热能通过传导在原子间自由地转移。虽然热能流经了某些物质，但是这些物质仍然保持静止不动，就好像是炉子上加热的铸铁锅。当流经某种物质的热量超过了该物质通过传导可以掌控的程度时，炽热的小块就会飞溅起来，就好像热气球中的加热的空气一样，从而产生了对流。在对流中，物质本身发生了移动。 这种对流在外层内核中围绕着熔铁旋转，晃动的液体充当了发电机的作用。在现存的磁场中，发电机的作用是把电流导入到流动的熔铁中。这个运动产生了它自身的磁性，这加强并维持了起初的磁场。如果更多的热量是通过传导而非铁搅拌的对流而流动的，那么这个发电机就会变弱，并且磁场就会消逝。 5年前，科学家们认为地球外核的熔铁是通过对流的形式传输其绝大部分热能的，在2012年所有的事情都发生了变化。一些研究团队独立地提出了地球内核更多的热能是通过传导的形式实现运动的，其速率大约是150~250瓦特/（米*开尔文）。（电导率代表着在1开尔文温度的1米立方体的不同两端有多少瓦特的热能可以穿过。）这个电导率大约是科学家们先前采用的数值——46~63瓦特/（米*开尔文）——的三倍。具有如此高的电导率，地核中的热对流会很弱，磁场就会麻烦缠身了。 “那只是一个危言耸听的声明，”德里斯科尔说道，“在一夜之间看到三个因素中的一个激增是罕见的。”单独由热对流所驱动强大磁场突然间变得不可能了。 热起来
热量通过传导和对流两种形式在地球的液态外核中穿行。在传导中（上图），热量（红色的）在静止的原子之间快速移动。在对流中（下图），炽热的小块像是岩浆灯中的熔珠一样飞溅，而冷却的小块（蓝色的）则下坠。这种运动让熔铁在液态外核中翻腾，并且有助于产生地球的磁场。 大多数现代生命形式是幸运的，热对流并不是促使发电机运转起来的唯一方式。随着地球冷却下来，地核中的熔铁开始由内而外凝固。目前，固态内核增长的速度是每秒多达6000公吨。与凝铁混合在一起的较轻的元素，比如氧和硫，被抛入外核。被驱逐出去的元素的浮力促进了外核的翻腾，并且保持发电机运行。到目前为止，只有4%的地核处于冷却状态，从而留下了大量的能量以维持磁场持续地运转数百万年。 虽然磁场的未来还会正常运转，但是它的过去仍然带来了一个问题。电导率估计表明内核只是从10亿年前才开始冷却。在那之前，地核中缓慢的热对流只产生了很微弱的磁场。 然而，岩石记录显示的是另外一番图景。今年7月，位于纽约的罗切斯特大学的地球物理学家约翰﹒塔都诺和他的同事在《科学》期刊中发表了一篇有关地球磁场最古老记录的论文。通过对埋藏在澳大利亚古代晶体中的磁性杂质进行测量，研究人员们表明一个相对强大的磁场在大约42亿到33亿年之前包围着地球，那时磁场的强度大约是如今磁场强度的12%到100%之间。 自从地球的早期开始，其磁场的历史就同样令人困惑。地球物理学家们认为当较轻的元素离开内核并以一种新的方式搅动发电机时，磁场强度会突然地增强。“你有了这个新的电源，”约翰霍普金斯大学的地球物理学家彼得﹒奥尔森说道。“你把发电机联上了一个240伏的插座，而不是120伏的——你应该可以看到这个效果。”但是他说，在数据中不存在这样的跳跃。在《科学》期刊2013年的一篇论文中，奥尔森给这个发电机困境起了一个名字：新的内核困境。有关地球磁场的主流理论和历史只是无法匹配，他写道。 然而，催生了这个困境的2012年的文章并不是地球内核电导率的盖棺定论。地球核心的温度可以达到6000摄氏度，其压力也超过海平面大气压力的300万倍。没有真正的生命可以开展“地心历险”，没有办法获得直接的测量。当前科学家们无法在实验室里对这种极端情况做精确的电导率测量。相反，实验通常会在较低的温度下开展，即低于1700摄氏度。然后根据这些较温和的情况中获得的实验结果对内核中发现的情况进行推算。 这种推算可能会有些模棱两可，因为它假定熔铁在实验和实际的地核情况中不会明显地改变其行为。但这只是可能。今年的早些时候，研究人员宣布说较高的电导率估计可能忽视了相对温和的实验条件和地核中恶劣环境之间差距的某些东西——某些可能会解决这个新的困境的东西。 电子弹球 要理解铁的电导率，需要有关电子如何围绕着铁原子高速运转的高深知识。在像铁这样的金属中，自由移动的电子输送着电荷和热能。铁如何轻松地导电和导热取决于这些电子是否可以轻易地移动。 在地表层面上发现的温度和压力方面，大多数移动电子的电阻被认为是来自于铁原子本身。电子与铁原子与振动的铁原子发生碰撞，从而限制了电和热的流动。然而，地核中铁的运行则完全不同。地核中的压力使得铁的密度达到其常规密度的1.6倍还多，丰富的热量给电子提供了很大的速度提升。 强大的保护器 今年7月，对古代岩石的分析表明在至少42亿年间地球都有强大的磁场保护着。这种新的磁场测量方法（蓝色的菱形）和其他一系列研究一起表明地球的磁场在整个地球的历史中一直都很强大遮光代表着如今地球磁场强度的范围。来源：J.塔都诺/罗切斯特大学 不是在实验室里尝试复制地核的情况，卡内基科学研究所的地球物理学家罗纳德·科恩、张鹏与其他同事一起制造了一个地核中铁的详细数字模型。虽然以往的版本采用了电子如何相互作用的一种简化视图，科恩的团队精确地追踪到了每个电子个体的活动。 “我们使出了杀手锏，并且计算每种可能的互动，”科恩说道，“我们做的运算类型和大型强子对撞机团队预测高能物理属性的类型是一样的。” 这个团队的模拟首先从与地核温度和压力相匹配的一束数百个铁原子入手。在对每一个粒子在时间上稍微向前推进之前，计算机程序快速且大量地处理每个铁原子和电子之间的量子力作用。这个过程是一直重复进行，直到这些快照形成了一个电子如何四处运动的影像。数量庞大的模拟粒子和粒子之间复杂的交互运动在计算上是相当耗时的。即使是在超级计算机的帮助下，这个模拟也不能真正地计算出确切的电导率。相反，科研人员一遍遍地重复这个实验，直到计算机程序能够在不确定性足够低的情况下估计出铁的电导率。 当实验温度达到了早期实验室开展的实验温度时，科恩的模拟拟合了先前有关铁的电导率的较高预测。然而，在大约1700摄氏度的时候，一种被忽视的交互作用成了关注的焦点。除了电子散射在振动的铁原子之外，充满热能的电子也常常交叉且开始彼此碰撞。在地核条件中，这个电子与电子的散射变得和电子—铁散射一样重要。这种额外情况让电阻率基本翻了一倍，这将导热系数降低了大约105瓦/（米*开尔文），大约是2012年预测的一半，这个研究结果发表在1月29日的《自然》上。 “地球物理学家可以利用我们的数据，并且开展地球物理研究工作，”科恩说道,“他们可以按照他们希望的方式来解释地球发电机的历史，并且他们也已经这样做了很多年了。” 这个新的电导率估计确实让发电机运转起来了，奥尔森及其同事在《地球和行星物理》6月刊中报告了这一情况。把这个新的数字接入到流经地球内部热量的模拟中产生了一个在地球内核形成之前的对流驱动的发电机。在这种情况下，地球的磁场随着内核的形成而不断加强。然而，由于热对流的增强，这种磁性的升高将会更小，并且会与磁场强度的自然变化融为一体，位于霍顿市的密歇根理工大学的地球物理学家阿莱克塞·斯米尔诺夫说道。 很多地球物理学家对这个更低热导系数将有助于破解近年来出现的一些棘手问题持谨慎的乐观态度。然而，这个新的电导率仍然只是理论上的。它需要实验结果来验证更高温度中的电子与电子的散射。但是到目前为止，这做起来很困难。 面临压力 重造地核的“紧张态势”需要策略和灵感迸发。在东京理工大学的实验室中，高压矿物物理学家广濑靖（Kei Hirose）和他的同事利用钻石虎钳把铁压成了一个纯铁盘。铁的样本非常微小——直径只有大约20微米，厚度有10微米，相当于一张复印纸厚度的十分之一。这样小的尺寸使得研究人员均匀地对样本进行压缩和加热，从而产生了类似于地核极端情况的状态。 铁原子在两个0.2克拉的钻石顶端游走，这在实验期间要求的极端力量下不太可能断裂或扭曲。广濑把这个钻石的外形比作富士山，该钻石的每个锥峰的形状都和富士山的每个坦峰类似。研究人员在大约30分钟内将两个钻石挤压到了一起，直到铁原子承受着地核一样的压力。随后，一个精心瞄准的红外激光把样本加热到几千度，最后该样本已经准备好接受测试了。 物理学家们通过把铁原子样本挤压到两颗宝石级钻石之间的方式来重建地球内部的状况。 因为铁中的电子运动时会携带电荷和热量，广濑和他的同事就可以测量电导率，并从电导率推测出导热系数。研究人员把电极加载到铁原子上，并让电流从样本中通过，电极通常是由黄金或者铂金制作的。通过样本的电压损耗可以让研究人员知道铁原子对电子流的阻力有多强。 近日，广濑的团队在大约1700摄氏度的阀值开展了实验，在这个阀值上，科恩的团队预测说电子的碰撞会变得重要，但是广濑团队的实验没有得到电子与电子散射的证据。实际上，这个实验让困境更加恶化。这项工作表明随着温度的飙升，铁原子可能会变得更具导电性，因而不太可能发生以前所认为的对流。 2013年，广濑和他的同事们在《地球和行星物理》期刊上对这个趋势进行了预测，他们认为铁原子最终到达了一个点，在这个点上一个电子在撞到另外一个铁原子之前经过的平均距离相当于两个铁原子之间的距离。他们认为，由于彼此碰撞的剩余障碍很少，在这个点上，对电子运动的阻力会趋于平稳，即使是温度持续升高的话。 “好吧，现在看起来似乎我们又回到了这个困境。”在获悉广濑团队新发现之后，斯米尔诺夫表示。 德里斯科尔在美国地球物理联合与其他组织于今年5月共同举办的一次会上说道，“虽然有这么高的导热系数，这个新的地核困境仍然可能得以解决。足够多的热量流经地球内部可以产生对流，即使当电导率很高的时候。” 他认为，额外的热量可能来自于放射性元素的衰变。在今年4月份，科研人员发表在《自然》上的一篇论文认为地核可能含有大量放射性的铀和钍。德里斯科尔通过计算认为在现代地核中即使是数量相对较少的放射性也可能促进了古代地球磁场的大量提升。他解释说，如果只是很少数量的放射性加热着如今的地核，那也将意味着亿万年前大量的放射性原子曾经促进了热流动。 科恩仍然坚信电子与电子的散射导致了较低的地核电导率。“我们回过头去复查了我们研究结果的鲁棒性，它看起来坚不可摧，”科恩说道。他指出复制地核状况的实验是过于挑剔的。有可能广濑及其同事真的达到了比他们发表的论文中提到的更低温度，其他研究团队即将开展的实验仍然在这两个方式之间摇摆不定。 现在，围绕着地核和地球磁场的谜题仍然持续存在，科学家们也在争论在地表以下数千公里的地方到底在发生着什么。“我保证在接下来的几年里会有多次循环往复，”奥尔森说道。“但这是一个好问题。正是这种事情才让人们抬起屁股，并鼓励他们去做更多的工作。” 本文发表于2015年9月19日的《科学新闻》 作者：THOMAS 译者：王大鹏 首发于果壳阅读官方微信（gk_reading）, 果壳传媒旗下的读书品牌。我们秉持“身处果壳，心怀宇宙”的志向，让科学以真实而优雅的姿态，将她的智识、妙曼、多变、幽默、宽容展现在大众眼前。 |
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