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我们生活在地球的表面上，脚下是坚硬的地壳，其主要成分为硅酸盐岩石。虽然人类有能力攀登世界最高的山峰，到达海洋的最深处，并且还能飞上天空，甚至冲出地球大气层，去过月球表面，但我们就是没有办法深入地球表面下方，去直接探测神秘的地心。 目前，人类挖到最深的地方为OP-11油井，其深度为12376米，不到13公里。相比之下，地球半径大约6371公里。地心远在地下深处，我们现在触及到的只是地球的皮毛。 虽然没有任何设备能够进入地心进行探测，但科学家还是能够大致知道地球内部的结构，唯一可靠的方法就是地震波。当地震波穿过地球的各个部分时，速度会随之出现变化，它们可能会发生反射或折射，这取决于该层的矿物组成、密度以及温度。 通过地震波，科学家发现地球的内部结构主要分为三层。最上层是地壳，厚度为5至70公里。中间层是地幔，厚度可达2890公里，这一层可以进一步分为上地幔和下地幔。最内层为地核，厚度估计为3420公里。 由于地壳和地幔主要都是由硅酸盐岩构成，其平均密度约为3吨/立方米，而整个地球的平均密度为5.5吨/立方米，这意味着地核中存在大量密度很高的物质。那么，地核中究竟是什么东西呢？ 45亿年前，太阳从太阳星云中诞生不久后，留下了一些“边角料”。这些气体和尘埃不断聚集，最终通过引力结合成了小行星、矮行星、行星等大型天体，这其中就包括我们的地球。 在如今的太阳系中，还剩下不少早期太阳系残留下的小行星。通过分析表明，这些小行星中富含铁元素（密度为7.8吨/立方米）。由此可以推测，地球核心中的致密物质主要为铁。最初铁元素分布在地球的各处，但由于它们的密度大，所以大部分都沉入到地核中。 事实上，铁元素在宇宙中的分布非常广泛。在大质量恒星的最后阶段，它们的核心区域会大量合成出铁。另外，Ia型超新星爆发时也会制造出大量的铁。在宇宙中，铁是最丰富的金属元素，其丰度在所有元素中位列第六，这使得像地球这样的岩质行星中存在丰富的铁。 除了铁之外，地核中还包含不少的镍。地核的结构可以分为两层，上层是液态的外地核，厚度估计为2200公里，那里的温度超过3700 ℃，铁和镍都熔化成液态金属。 外地核的下方是固态的内陆核，厚度估计为1220公里。虽然内陆核的温度更高，可以达到5500 ℃，但那里的压力极高，相当于地表大气压的360万倍，这使得铁镍合金的熔点变得非常高，反而不会熔化掉。 正是由于地核的特殊结构，内陆核与地球外部的自转并不同步，通过电磁感应可以形成电流，进而诱发产生磁场。在强大地球磁场的庇护下，致命的宇宙射线不会大量直射到地表，包括人类在内的生命才能在地球上繁衍生息。 对于隐藏在地下深处的地核，相关研究还在不断深入。根据《地球物理学与行星内部结构》（Physics of the Earth and Planetary Interiors）杂志刊载的一项新研究[1]，科学家在地核中发现了一层新的结构，深度为5100公里。 长久以来，科学家认为地球内核是完全固态的，与其相邻的液态外地核形成鲜明对比。但现在根据地震波的分析结果，在地球内核顶部250公里的范围内，科学家发现了一层软质结构，那里有糊状的铁镍合金，目前还不清楚该结构的作用。 此外，地核中还存在少量的其他元素，比如钨，这是一种与铁共生的亲铁元素。地幔中存在一种亲石元素——铪，铪-182会衰变成钨-182。由于铪-182的半衰期很短，只有几百万年，它们早都应该会完全衰变成钨。 通过分析地幔和地核中的钨同位素比例，科学家发现地核中大量的钨泄漏到地幔中。虽然科学家还不清楚这背后的确切原因，但分析显示，这个泄漏过程早在27亿年前就已经开始了。 地核产生的磁场对于地表生命的生存至关重要，没有活跃的地核，也就不会有生机勃勃的世界，我们的近邻火星就是一个例子。火星最初可能是一颗充满液态水的宜居行星，但从40亿年前开始，内核大幅降温，最后导致内核失去活性，磁场随之消失，大气层被太阳风剥离，液态水最后也不复存在，只留下一颗荒凉的红色星球。 参考文献 [1] Rhett Butler, Seiji Tsuboi, Antipodal seismic reflections upon shear wave velocity structures within Earth's inner core, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2021, DOI: 10.1016/j.pepi.2021.106802. |
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