物理學(xué)家正在揭開(kāi)地球內(nèi)核的巨大奧秘

在我們腳下的深處，超過(guò) 5,100 公里的驚人深度，隱藏著地球的內(nèi)核——一個(gè)由鐵和鎳組成的實(shí)心球，在塑造我們?cè)诒砻骟w驗(yàn)的條件方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。事實(shí)上，沒(méi)有它，我們甚至不太可能存在。

但是，盡管它很重要，但它是如何形成和發(fā)展的還是有點(diǎn)令人費(fèi)解。我們甚至不知道它有多老了。幸運(yùn)的是，礦物物理學(xué)讓我們離解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)更近了一步。

內(nèi)核負(fù)責(zé)地球的磁場(chǎng)，它就像一個(gè)盾牌，保護(hù)我們免受有害的太陽(yáng)輻射。這個(gè)磁場(chǎng)對(duì)于創(chuàng)造數(shù)十億年前讓生命繁榮的條件可能很重要。

地球的內(nèi)核曾經(jīng)是液態(tài)的，但隨著時(shí)間的推移已經(jīng)變成了固體。隨著地球逐漸冷卻，內(nèi)核在周?chē)缓F的液體“凍結(jié)”時(shí)向外膨脹。也就是說(shuō)，它仍然非常熱，至少 5,000 開(kāi)爾文 （K） （4726.85°C）.

這種冷凍過(guò)程會(huì)釋放出氧和碳等元素，這些元素與熱固體不相容。它在外芯底部產(chǎn)生一種熱的、有浮力的液體。

液體上升到液體外核中并與之混合，從而產(chǎn)生電流（通過(guò)“發(fā)電機(jī)作用”），從而產(chǎn)生我們的磁場(chǎng)。

有沒(méi)有想過(guò)是什么讓北極光在天空中翩翩起舞？你可以感謝 inner core。

隱秘結(jié)晶

為了了解地球磁場(chǎng)在其歷史上是如何演變的，地球物理學(xué)家使用模擬地核和地幔熱狀態(tài)的模型。

這些模型幫助我們了解熱量在地球內(nèi)部是如何分布和傳遞的。他們假設(shè)固體內(nèi)核在液體冷卻到熔點(diǎn)時(shí)首次出現(xiàn)，并以此為時(shí)間當(dāng)它開(kāi)始結(jié)冰時(shí).問(wèn)題是，這并不能準(zhǔn)確反映凍結(jié)過(guò)程.

因此，科學(xué)家們探索了“過(guò)冷”的過(guò)程。過(guò)冷是指液體冷卻到其冰點(diǎn)以下而不變成固體。這種情況發(fā)生在大氣中的水，有時(shí)在形成冰雹之前達(dá)到 -30°C，而且地核中也有鐵。

計(jì)算表明，實(shí)際上需要高達(dá) 1,000K 的過(guò)冷度冷凍純鐵在地核。鑒于核心的電導(dǎo)率意味著它以每十億年 100-200K 的速度冷卻，這帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。

這種過(guò)冷水平意味著核心在其整個(gè)歷史（1000 到 5 億年）中都需要低于其熔點(diǎn)，這帶來(lái)了額外的復(fù)雜性。

由于我們無(wú)法物理地進(jìn)入核心——人類(lèi)只鉆進(jìn)了地球 12 公里——我們幾乎完全依賴(lài)地震學(xué)了解我們星球的內(nèi)部。

內(nèi)核于 1936 年被發(fā)現(xiàn)，其大小（約占地球半徑的 20%）是地球深處受限制最嚴(yán)格的特性之一。我們使用這些信息來(lái)估計(jì)堆芯的溫度，假設(shè)固體和液體之間的邊界代表熔點(diǎn)和堆芯溫度的交點(diǎn)。

這個(gè)假設(shè)還有助于我們估計(jì)在內(nèi)核開(kāi)始從內(nèi)核和外核組合形成之前可能發(fā)生的最大過(guò)冷程度。

如果內(nèi)核最近凍結(jié)，則內(nèi)核-外內(nèi)核邊界的當(dāng)前熱狀態(tài)表明，當(dāng)內(nèi)核剛開(kāi)始凍結(jié)時(shí)，組合內(nèi)核可能低于其熔點(diǎn)多少。這表明，核心最多可能是過(guò)冷約 400K.

這至少是地震學(xué)允許的兩倍。如果內(nèi)核在凍結(jié)前過(guò)冷了 1,000K，則內(nèi)核應(yīng)該比觀察到的要大得多。或者，如果 1,000K 是凍結(jié)所必需的并且從未達(dá)到，則內(nèi)核根本不應(yīng)該存在。

顯然，這兩種情況都不準(zhǔn)確，那么有什么解釋呢？

礦物物理學(xué)家已經(jīng)測(cè)試了純鐵和其他混合物，以確定需要多少過(guò)冷才能啟動(dòng)內(nèi)核的形成。雖然這些研究尚未提供明確的答案，但已經(jīng)取得了有希望的進(jìn)展。

例如，我們了解到，意想不到的晶體結(jié)構(gòu)和碳的存在可能會(huì)影響過(guò)冷。這些發(fā)現(xiàn)表明，以前未考慮的某些化學(xué)或結(jié)構(gòu)可能不需要如此大的過(guò)冷度。

如果核心可以在小于 400K 的過(guò)冷度下凍結(jié)，那么它就可以解釋我們今天看到的內(nèi)核的存在。

不了解內(nèi)核形成的影響是深遠(yuǎn)的。以前對(duì)內(nèi)核年齡的估計(jì)范圍從500 到 10 億年。但這些并沒(méi)有解釋過(guò)冷問(wèn)題。即使是 100K 的適度過(guò)冷也可能意味著內(nèi)核比以前認(rèn)為的年輕幾億年。

了解古地磁巖石記錄（地球磁場(chǎng)的檔案）中內(nèi)核形成的特征，對(duì)于那些研究太陽(yáng)輻射對(duì)大規(guī)模滅絕影響的人來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

在我們更好地了解磁場(chǎng)的歷史之前，我們無(wú)法完全確定它在宜居條件和生命的出現(xiàn)中的作用。

阿爾弗雷德·威爾遜-斯賓塞， 礦物物理學(xué)研究員利茲大學(xué)

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