在地核內(nèi)發(fā)現(xiàn)神秘的“甜甜圈”結(jié)構(gòu)

在我們腳下約 2,890 公里處，有一個(gè)巨大的液態(tài)金屬球：我們星球的核心。像我這樣的科學(xué)家使用地震產(chǎn)生的地震波作為一種超聲波來(lái)“看到”核心的形狀和結(jié)構(gòu)。

使用一種研究這些波的新方法，我的同事馬小龍和我有一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：赤道周圍有一個(gè)大的甜甜圈形核心區(qū)域，厚幾百公里，地震波的傳播速度比核心的其他部分慢約 2%。

我們認(rèn)為這個(gè)區(qū)域含有更多較輕的元素，如硅和氧，并且可能在流經(jīng)核心產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的大量液態(tài)金屬流中發(fā)揮關(guān)鍵作用。我們的結(jié)果是今天發(fā)表在 Science Advances 上.

“尾聲相關(guān)波場(chǎng)”

大多數(shù)關(guān)于地震產(chǎn)生的地震波的研究都著眼于地震后一小時(shí)左右在世界各地傳播的巨大初始波前。

我們意識(shí)到，通過(guò)觀察這些 waves 中較晚、較微弱的部分，稱為 coda – 將一段音樂帶入結(jié)尾的部分，我們可以學(xué)到一些新的東西。特別是，我們研究了不同地震探測(cè)器記錄的尾聲在開始幾個(gè)小時(shí)后的相似程度。

用數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，這種相似性是通過(guò)一種稱為相關(guān)性的東西來(lái)衡量的?？傊?，我們將地震波后期的這些相似性稱為“尾聲相關(guān)波場(chǎng)”。

通過(guò)觀察尾聲相關(guān)波場(chǎng)，我們檢測(cè)到了來(lái)自多個(gè)混響波的微小信號(hào)，否則我們不會(huì)看到。通過(guò)了解這些混響波的路徑并將它們與尾聲相關(guān)波場(chǎng)中的信號(hào)進(jìn)行匹配，我們計(jì)算出它們穿過(guò)地球需要多長(zhǎng)時(shí)間。

然后，我們將我們?cè)诳拷鼉蓸O的地震探測(cè)器中看到的結(jié)果與靠近赤道的結(jié)果進(jìn)行了比較?？傮w而言，在靠近兩極的地方探測(cè)到的波比在赤道附近探測(cè)到的波傳播得更快。

我們嘗試了許多計(jì)算機(jī)模型和模擬，以了解核心中的哪些條件可以產(chǎn)生這些結(jié)果。最后，我們發(fā)現(xiàn)在赤道周圍的外核中一定有一個(gè)圓環(huán)——一個(gè)甜甜圈狀區(qū)域，那里的波傳播得更慢。

地震學(xué)家以前從未探測(cè)到過(guò)這個(gè)區(qū)域。然而，使用尾聲相關(guān)波場(chǎng)可以讓我們更詳細(xì)、更均勻地“看到”外核。

以前的研究得出結(jié)論，波浪移動(dòng)更慢到處都是外芯的“天花板”。然而，我們?cè)谶@項(xiàng)研究中表明，低速區(qū)域僅在赤道附近。

外核和地發(fā)電機(jī)

地球外核的半徑約為 3,480 公里，比地球略大火星.它主要由鐵和鎳組成，并含有一些較輕的元素，如硅、氧、硫、氫和碳。

外芯的底部比頂部更熱，溫差使液態(tài)金屬像爐子上沸騰的鍋中的水一樣移動(dòng)。這個(gè)過(guò)程稱為熱對(duì)流，我們認(rèn)為不斷的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該意味著外核中的所有材料都很好地混合和均勻。

但是，如果外核的任何地方都充滿了相同的物質(zhì)，那么地震波也應(yīng)該以大致相同的速度傳播。那么，為什么這些波在我們發(fā)現(xiàn)的甜甜圈形區(qū)域會(huì)減慢呢？

我們認(rèn)為這個(gè)區(qū)域的輕元素濃度一定更高。它們可能會(huì)從地球的固體內(nèi)核釋放到外核中，在那里它們的浮力會(huì)產(chǎn)生更多的對(duì)流。

為什么較輕的元素在赤道甜甜圈地區(qū)積累得更多？科學(xué)家們認(rèn)為，如果更多的熱量從外核傳遞到該區(qū)域上方的巖石地幔，就可以解釋這一點(diǎn)。

在外核中還有另一個(gè)行星尺度的過(guò)程在起作用。地球的自轉(zhuǎn)和小的固體內(nèi)核使外核的液體組織成南北方向的長(zhǎng)長(zhǎng)的垂直漩渦，就像巨大的水龍卷一樣。

液態(tài)金屬在這些漩渦中的湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了負(fù)責(zé)產(chǎn)生和維持地球磁場(chǎng)的“地發(fā)電機(jī)”。這個(gè)磁場(chǎng)保護(hù)地球免受有害的太陽(yáng)風(fēng)和輻射的影響，使地表上的生命成為可能。

更詳細(xì)地了解外核的組成——包括新發(fā)現(xiàn)的較輕元素的甜甜圈——將有助于我們更好地了解地球的磁場(chǎng)。特別是，磁場(chǎng)如何隨時(shí)間改變其強(qiáng)度和方向?qū)τ诘厍蛏系纳约靶行呛拖低庑行堑臐撛谝司有灾陵P(guān)重要。

Hrvoje Tkal?i?教授、地球物理學(xué)系主任、Warramunga Array 主任、澳大利亞國(guó)立大學(xué)

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