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地球的内部核心正在变得一边倒 如何确定核心的年龄
时间:2021-09-14 08:48:38

在我们脚下5000多公里深的地方,地球的固体金属内核直到1936年才被发现。近一个世纪之后,我们仍然在努力回答关于它最初形成的时间和方式的基本问题。 这些都是不容易解决的难题,因为我们不能直接对内核进行采样,揭开其神秘面纱的关键在于地震学家(用地震波对其进行间接采样)、地球动力学家(创建其动态模型)和矿物物理学家(研究铁合金在高压和高温下的行为)之间的合作。

结合这些学科,科学家们提供了一条关于在我们脚下几英里处发生的事情的重要线索。在一项新的研究中,他们揭示了地球的内核如何在一边比另一边增长得更快,这可能有助于解释内核的年龄,以及地球磁场的耐人寻味的历史。

早期的地球

在我们星球45亿年的历史中,地球的核心很早就形成了,在最初的2亿年内。重力将较重的铁拉到年轻星球的中心,留下岩石、硅酸盐矿物来构成地幔和地壳。

地球的形成在这个星球上捕获了大量的热量。这些热量的流失,以及持续的放射性衰变带来的加热,推动了我们星球的进化。地球内部的热量损失推动了液态铁外核的剧烈流动,从而形成了地球的磁场。同时,地球深层内部的冷却有助于推动板块构造,从而塑造我们星球的表面。

随着地球逐渐冷却,地球中心的温度最终下降到铁在极端压力下的熔点以下,内核开始结晶。今天,内核继续以每年大约1毫米的半径增长,这相当于每秒钟有8000吨熔化的铁水凝固。在数十亿年后,这种冷却将最终导致整个核心变成固体,使地球失去其保护性磁场。

核心问题

人们可能会认为这种凝固会形成一个均匀的固体球体,但事实并非如此。在20世纪90年代,科学家们意识到,穿越内核的地震波的速度意外地变化。这表明有一些不对称的变化正在内核中发生。具体来说,内核的东半部和西半部显示出不同的地震波速度变化。内核的东部位于亚洲、印度洋和西太平洋之下,而西部则位于美洲、大西洋和东太平洋之下。

新的研究探究了这个谜团,使用了新的地震观测结果,结合地球动力学模型和对铁合金在高压下的行为的估计。他们发现,位于印度尼西亚班达海下面的东部内核比巴西下面的西侧增长得更快。

你可以把这种不均匀的增长想象成在一个只在一边工作的冰柜里做冰激凌:冰晶只在冰激凌冷却有效的那一边形成。在地球上,不均匀的增长是由于地球的其他部分比其他部分更快地从内核的某些部分吸热造成的。

但是与冰激凌不同的是,坚实的内核受到引力的作用,通过蠕动的内部流动过程均匀地分配新的增长,从而保持内核的球形形状。这意味着地球没有倾覆的危险,尽管这种不均衡的增长被记录在我们星球内核的地震波速中。

确定核心的年龄

那么,这种方法是否有助于我们了解内核可能有多大年龄?当研究人员将他们的地震观测结果与他们的流动模型相匹配时,他们发现,内核--位于整个核心的中心,其形成时间要早得多--很可能在5亿至15亿年之间。

该研究报告说,这个年龄范围的较年轻的一端是更好的匹配,尽管较老的一端与通过测量地球磁场强度的变化而作出的估计相匹配。无论哪个数字是正确的,很明显,内核是一个相对年轻的家伙,大约是地球本身年龄的九分之一到三分之一。

这项新工作提出了一个地球内核新模型。然而,作者所做的一些物理假设必须是真实的,这才是正确的。例如,该模型只有在内核由一种特定的铁结晶相组成的情况下才有效,而关于这一点还存在一些不确定性。

那么我们不均匀的内核是否使地球不寻常呢?事实证明,许多行星体都有两半,它们在某种程度上彼此不同。在火星上,北半部的表面是较低的,而南半部则是较多的山脉。月球近侧的地壳与远侧的地壳在化学上是不同的。在水星和木星上,不平整的不是表面,而是磁场,它在南北之间没有形成镜像。

因此,尽管所有这些不对称的原因各不相同,但地球已经做得很好了,在一个由倾斜的天体组成的太阳系中,它仅仅是一个略微不对称的行星。

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