地球的內(nèi)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巖石外殼，它包裹著一層厚約2900千米的熱巖地幔 。地球的核心由兩部分組成，一部分是由液態(tài)的鐵和鎳構(gòu)成的外核，還有一部分是由固態(tài)的鐵和鎳構(gòu)成的內(nèi)核 。
地球的結(jié)構(gòu) 。解讀：素材來(lái)源：ArtsyBeeKids/pixabay
隨著時(shí)間的推移，地球溫度下降，液態(tài)的外核逐漸凍結(jié)、凝固，生長(zhǎng)成新的內(nèi)核 。如今，固態(tài)的鐵鎳內(nèi)核半徑已達(dá)到1200千米 。最近，加州大學(xué)伯克利分校的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，由于某種未知的真相，自地球的鐵鎳內(nèi)核從熔融狀態(tài)凍結(jié)成固態(tài)這一過(guò)程開(kāi)始，固體內(nèi)核的一側(cè)就比另一側(cè)增長(zhǎng)得更快 。新的結(jié)果發(fā)表在了近期的《自然-地球科學(xué)》雜志上 。
大約在30多年前，有研究發(fā)現(xiàn)地震波從北到南的傳播速度比從東到西更快 。然而，沒(méi)有人知道這是為何 。在一項(xiàng)新研究中，為了解釋這種現(xiàn)象，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)基于地球動(dòng)力學(xué)和高溫高壓下的礦物物理學(xué)的計(jì)算機(jī)模型 。他們用這個(gè)模型來(lái)模擬鐵晶體在地核的不同增長(zhǎng)模式，以此來(lái)模擬不同的地核 。
通過(guò)調(diào)整模型里的一些參數(shù)來(lái)擬合地震儀所記錄的數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)，唯一可以解釋這種困擾了科學(xué)家30多年的現(xiàn)象的，是一個(gè)不對(duì)稱增長(zhǎng)的內(nèi)核模型——當(dāng)他們將地球的內(nèi)核模型調(diào)整為東側(cè)增長(zhǎng)的比西側(cè)快大約60%時(shí)，得到的數(shù)據(jù)與地震儀所記錄的數(shù)據(jù)最為吻合 。
一個(gè)新的模型表明，東側(cè)的內(nèi)核的增長(zhǎng)速度比西側(cè)更快 。解讀： 圖片來(lái)源：Marine Lasbleis
【地球自轉(zhuǎn)促進(jìn)了地球形狀的形成】一直以來(lái)，科學(xué)家認(rèn)為在重力的作用下，隨著熔融鐵的冷卻而形成的固態(tài)鐵晶體會(huì)均勻地分布，使得地球的內(nèi)核保持為一個(gè)半徑平均每年增長(zhǎng)約1毫米的球形 。但新的模擬結(jié)果意味著在地球的內(nèi)核中，鐵的凝結(jié)是有“偏向性”的，它在東側(cè)凝結(jié)得比西側(cè)更多，而非像科學(xué)家之前所預(yù)期的那樣隨機(jī)、均勻分布 。
鐵的凝結(jié)為什么會(huì)優(yōu)先地朝著一個(gè)方向？研究人員認(rèn)為，隨著鐵晶體的生長(zhǎng)，重力會(huì)將內(nèi)核中多余的生長(zhǎng)從東側(cè)向西側(cè)重新分配 。這種在相對(duì)柔軟的內(nèi)核中發(fā)生的晶體移動(dòng)，會(huì)使晶格沿地球的旋轉(zhuǎn)軸向西排列的程度大于向東排列的程度 。
隨著液態(tài)鐵外核（橙色）的凍結(jié)，固態(tài)的鐵內(nèi)核（紅色）緩慢增長(zhǎng) 。地震波在地球南北兩極（藍(lán)色箭頭）之間穿過(guò)地核的速度，比穿過(guò)赤道（綠色箭頭）要快 。研究人員認(rèn)為，這種速度上的差異可能由晶體的排列造成的，因?yàn)樗鼈儽旧硎歉飨虍愋缘?。解讀： 圖片來(lái)源：Daniel Frost
這種不對(duì)稱增長(zhǎng)還與另一個(gè)主要的問(wèn)題息息相關(guān)，那就是地球磁場(chǎng) 。在外核和地幔中，都有對(duì)流發(fā)生 。鐵在內(nèi)核的凝固過(guò)程會(huì)釋放熱量，這能造成外核的緩慢沸騰；而在地幔中，隨著較熱的巖石向上移動(dòng)，熱量被從地球核心帶到地表 。液態(tài)的鐵外核中所發(fā)生的劇烈沸騰，導(dǎo)致了地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生 。
如果地球內(nèi)核的增長(zhǎng)是不對(duì)稱的，那么保護(hù)了地球免受來(lái)自太陽(yáng)的危險(xiǎn)粒子的傷害的地球磁場(chǎng)就會(huì)受到影響，這又進(jìn)一步意味著這種不對(duì)稱增長(zhǎng)對(duì)于地球上的生命史也有著主要意義 。
在新的研究中，研究人員根據(jù)內(nèi)核的熱量流失方式和溫度，計(jì)算出了地球內(nèi)核的年齡范圍——在5億年到15億年之間 。關(guān)于內(nèi)核年齡的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)樗婕暗竭@樣一個(gè)問(wèn)題，即地球磁場(chǎng)是怎么在固體內(nèi)核存在之前就已經(jīng)存在了？
與已知存在了30億年的地球磁場(chǎng)相比，內(nèi)核是非常“年輕”的 。如果內(nèi)核最多只存在了15億年，那么更古老的磁場(chǎng)從何而來(lái)？這是否意味著那時(shí)候必定有其他過(guò)程推動(dòng)了外核的對(duì)流？研究人員認(rèn)為，較為年輕的內(nèi)核年齡可能意味著在地球的早期古代中，讓液態(tài)地核沸騰的熱量并非來(lái)自于鐵的凝結(jié)，菜葉網(wǎng)，而是來(lái)自于其他輕元素從鐵中分離 。
新的地核生長(zhǎng)模型除了給我們帶來(lái)了關(guān)于內(nèi)核年齡的信息之外，也同時(shí)為地球中心鎳和鐵的比例給出了范圍 。結(jié)果表明，當(dāng)鎳占到內(nèi)核的4%到8%時(shí)，模擬結(jié)果可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)地震觀測(cè)結(jié)果 。這是接近金屬隕石的比例，而這些金屬隕石曾經(jīng)可能是太陽(yáng)系中的矮行星的內(nèi)核 。該模型還能告訴地質(zhì)學(xué)家地核的黏度，或者說(shuō)其流體程度 。
雖然對(duì)于究竟是什么真相造成了這種不對(duì)稱內(nèi)核，還尚無(wú)定論，但研究人員認(rèn)為，這種不對(duì)稱的增長(zhǎng)是由某種未知的力量使得地球的東側(cè)比西側(cè)冷卻得更快而造成的 。一個(gè)可能的真相是東半球不斷增加的俯沖作用，帶走了地殼的寒冷部分，并將其置于地殼和地幔邊界附近 。
接下來(lái)，研究人員計(jì)劃繼續(xù)探索內(nèi)核的增長(zhǎng)將怎么影響外核的流動(dòng)，以此來(lái)揭開(kāi)更多關(guān)于地球核心的謎團(tuán) 。
#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：
文字：魔里郎
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