地球核心的神秘“第三元素”究竟是什么？這個(gè)問(wèn)題一直困擾著科學(xué)家。一直以來(lái)，科學(xué)家認(rèn)為地核主要由85%的鐵、10%的鎳以及另外5%的氫元素組成。但是關(guān)于輕元素的含量一直存在爭(zhēng)議。近日，日本科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，地核的“第三元素”很可能是硅，但還需要更多的證據(jù)。借此機(jī)會(huì)，我們就來(lái)了解一下科學(xué)家是如何探索地球的核心。
人類的足跡已經(jīng)遍布了整個(gè)地球。我們征服了陸地、在空中翱翔、潛入最深的海溝，甚至已經(jīng)登上了月球。然而，我們卻從未能深入地球最核心的部位。
地球的中心點(diǎn)位于地下 6000 公里深處，即使最外層的地核部分與我們也有近 3000 公里的距離。目前人類鉆探的最深孔洞是位于俄羅斯的科拉超深鉆孔，但它也只深入地下12.3 公里而已。
地球上所有的熟悉事件都發(fā)生在接近地表的區(qū)域。而在地下僅僅數(shù)百公里的地方，火山口噴出的巖漿便開始熔化。即使是需要在極端高溫和高壓條件下才能形成的鉆石，其生成之處也只在地表以下不到 500 公里。
這一深度以下的地球內(nèi)部仍是一片未知領(lǐng)域。然而，我們對(duì)地核的情況還是有相當(dāng)深入的了解，甚至對(duì)它在過(guò)去數(shù)十億年間的演化進(jìn)程也略知一二。下面記載的，就是揭開地核面紗的過(guò)程。
△ 對(duì)于事情的宏觀計(jì)劃，這些都無(wú)足輕重。（圖片來(lái)源：Torrenegra）
來(lái)自于英國(guó)劍橋大學(xué)的西蒙·雷德芬 (Simon Redfern) 表示，開始這個(gè)過(guò)程的一個(gè)好方法就是思考地球的質(zhì)量。
我們可以通過(guò)觀察地球?qū)Φ乇淼奈矬w的引力來(lái)估算地球質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算，地球的質(zhì)量為59萬(wàn)億億噸，也就是59后面再加20個(gè)0。
單從表面來(lái)看，地球的質(zhì)量不會(huì)有這么大。
雷德芬說(shuō)：“地球表面物質(zhì)的密度遠(yuǎn)低于整個(gè)地球的平均密度，這就提醒我們一定存在一些密度更高的物質(zhì)。”
本質(zhì)上，地球質(zhì)量的絕大部分必定存在于靠近地核的區(qū)域。接下來(lái)是要弄清楚地核究竟是由怎樣的高密度物質(zhì)組成的。
△ 地球就是由這樣的鐵組成的，只是沒(méi)有上圖的鐵鉤和鐵銹。（圖片來(lái)源：JonWilson/SPL）
這一問(wèn)題的答案是：幾乎可以確定地核主要是由鐵組成的。人們認(rèn)為地核中大約 80% 的成分是鐵，盡管精確的數(shù)值仍有待確定。
支持這一結(jié)論的主要證據(jù)是：鐵大量存在于我們周圍的宇宙中。它是銀河系中最常見的十大元素之一，同時(shí)也普遍存在于隕石之中。
鑒于鐵普遍存在于地核中，地表的實(shí)際含鐵量就比我們想象中要少得多了。所以理論認(rèn)為，在 45 億年前地球形成之時(shí)，大量的鐵都沉降到地核中了。
那里是地球大部分質(zhì)量的所在，也必然是大部分鐵的聚集之處。在正常條件下，鐵是相對(duì)密集的元素，在地核的極端高壓環(huán)境下，它可能被壓縮至更大的密度，這樣便可解釋所有缺失的質(zhì)量了。
但是且慢，鐵最初又是如何到達(dá)地核的？
△ 圣安德烈（San Andreas）斯斷層會(huì)觸發(fā)大地震。（圖片來(lái)源：US Geological Survey/SPL）
鐵元素必定受到了重力影響，向著地核沉降。但具體過(guò)程目前還不清楚。
地球剩余的大部分是由一種名為“硅酸鹽”的巖石物質(zhì)組成，而處于熔融狀態(tài)的鐵必須想辦法穿過(guò)這些巖石，從而抵達(dá)地核。類似于水在油膩表面上形成的液滴，鐵也會(huì)聚攏形成小的聚集區(qū)，而不會(huì)向周圍擴(kuò)散和流動(dòng)。
2013 年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的毛立文 (Wendy Mao) 和她的同事們找到了一個(gè)可能的解決方案。他們想知道，當(dāng)鐵與硅酸鹽一同暴露于極端高壓環(huán)境時(shí)將會(huì)如何 — 而這正是地球內(nèi)部深處的環(huán)境條件。
通過(guò)使用金剛石極度擠壓這兩種物質(zhì)，研究人員迫使熔化的鐵流經(jīng)硅酸鹽。
毛立文說(shuō)：“壓力實(shí)際上改變了鐵與硅酸鹽相互作用的性質(zhì)。在高壓下，一種‘熔融網(wǎng)絡(luò)’（melt network）形成了。”
這表明，鐵元素很可能在數(shù)百萬(wàn)年的漫長(zhǎng)時(shí)間里被逐漸擠壓穿過(guò)地球的巖層，并最終到達(dá)地核區(qū)域。
△ 雖然地震極具破壞性，但我們也可以從中學(xué)到東西。（圖片來(lái)源：Peter Menzel/SPL）
你可能會(huì)好奇我們是如何得知地核大小的。答案很簡(jiǎn)單：地震學(xué)。
當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，它發(fā)出的沖擊波將穿過(guò)整個(gè)地球。地震學(xué)家會(huì)記錄這些震動(dòng)情況。這就好比我們用一個(gè)巨大的錘子敲擊地球的一端，然后在另一端聆聽其產(chǎn)生的聲音。
雷德芬說(shuō)：“在20世紀(jì)60年代，智利發(fā)生了一次強(qiáng)烈地震。那次地震留下了大量數(shù)據(jù)。” “分布在全球各地的地震臺(tái)都記錄到了該地震的到來(lái)。”
因?yàn)檎駝?dòng)的傳播路徑不同，它們可能傳到了地球上的不同角落，從而影響在另一端聽到的“聲音”。
△ 神戶大地震的地震儀。（圖片來(lái)源：Carlos Munoz-Yague/Eurelios/SPL）
早在地震學(xué)研究的初期，科學(xué)家們便發(fā)現(xiàn)有些震動(dòng)消失了。這些 “S 波”信號(hào)從地球的一側(cè)產(chǎn)生后，在另一側(cè)本應(yīng)該監(jiān)測(cè)得到，結(jié)果卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們的任何跡象。
原因很簡(jiǎn)單。這些“S 波”信號(hào)只能只能穿過(guò)固態(tài)物質(zhì)而無(wú)法穿過(guò)液態(tài)物質(zhì)。
它們一定是在地核區(qū)域遇上了液態(tài)物質(zhì)。通過(guò)對(duì)“S 波”傳播路徑的分析，結(jié)果顯示：在地下大約3000公里處，巖石變?yōu)橐簯B(tài)。
這表明整個(gè)地核都呈熔融狀態(tài)。此外，地震學(xué)家又在其中發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)驚喜。
△ P波（紅色）、S波（黃色）、表面波（淡紫色）。（圖片來(lái)源：Gary Hincks/SPL）
20 世紀(jì) 30 年代，丹麥地震學(xué)家英奇•雷曼 (Inge Lehmann) 注意到另一種波，即 P 波，它意外地穿過(guò)地核，且能夠在地球的另一側(cè)被檢測(cè)到。
她提出了一個(gè)驚人的解釋理論：地核分成兩層。始于地下 5000 公里的“內(nèi)層”核心其實(shí)是固態(tài)的。只有內(nèi)核以上的“外層”核心才是熔化的。
1970 年，雷曼的理論最終得到證實(shí)。更加敏感的地震儀發(fā)現(xiàn)P波的確穿過(guò)地核，在某些情況下甚至以特定角度發(fā)生偏斜。但即便如此它們最終還是到達(dá)了地球的另一端。
產(chǎn)生有用沖擊波穿越地球的不僅只有地震。事實(shí)上，地震學(xué)的成功很大一部分要?dú)w功于核武器的發(fā)展。
△ 1957年，在內(nèi)華達(dá)州引爆了一枚原子彈。（圖片來(lái)源：US Department of Energy/SPL）
核爆炸同樣會(huì)在地面產(chǎn)生震動(dòng)波，因此各國(guó)都通過(guò)地震學(xué)來(lái)檢測(cè)核武器測(cè)試。在冷戰(zhàn)期間，這項(xiàng)工作尤其重要，因此像英奇•雷曼這樣的地震學(xué)家們都倍受鼓舞。
現(xiàn)在，我們可以大致描繪出一幅地球結(jié)構(gòu)圖。地球內(nèi)部有一個(gè)熔融狀態(tài)的外核，它外表層大約在地球半徑的一半深度處。在其內(nèi)部，還有一個(gè)直徑約1220公里的固態(tài)內(nèi)核。
但除此以外，還有很多工作需要嘗試和梳理，尤其是關(guān)于內(nèi)核這一部分。首先就是，它的溫度有多高？
△ 在正常條件下，鐵的熔點(diǎn)是1538攝氏度。（圖片來(lái)源：Ria Novosti/SPL）
英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的李敦卡·沃卡德羅 (Lidunka Vočadlo) 表示，這個(gè)問(wèn)題的相當(dāng)棘手，它困擾了科學(xué)家許久，直到近期才有所進(jìn)展。我們不可能把溫度計(jì)放在地核中，所以唯一的解決辦法是在實(shí)驗(yàn)室中模擬同等的壓潰壓力。
2013年，一個(gè)法國(guó)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建出了迄今為止最好的模擬條件。他們將純鐵置于壓力略超過(guò)地核壓力一半的環(huán)境中，由此推測(cè)地核的溫度。他們得出的結(jié)論是：在地核溫度下，純鐵的熔點(diǎn)約為 6230 攝氏度。其他物質(zhì)的存在導(dǎo)致熔點(diǎn)會(huì)有所下降，大約為 6000 攝氏度，但卻仍舊非常炎熱，與太陽(yáng)表面的溫度相當(dāng)。
雖然有點(diǎn)像烤焦的馬鈴薯，但多虧了地球形成過(guò)程中保留的熱量，地核才一直保持溫?zé)�。同時(shí)，地核還還從地球內(nèi)部大密度物質(zhì)的摩擦以及放射性元素的衰變過(guò)程中吸取熱量。但盡管如此，每隔10億年地核的溫度也會(huì)冷卻大約100攝氏度。
了解地核的溫度情況非常有用，因?yàn)樗鼤?huì)影響震動(dòng)波在地核內(nèi)的傳播速度。這個(gè)問(wèn)題非常重要，因?yàn)檎駝?dòng)本身還存在一些奇怪的現(xiàn)象。
△ 地球的內(nèi)部構(gòu)造。（圖片來(lái)源：Roger Harris/SPL）
P 波在穿過(guò)地球內(nèi)核時(shí)速度異常的慢，比內(nèi)核由純鐵組成的情況下的速度還要慢。
沃卡德羅說(shuō)：“地震學(xué)家在地震波或其他震動(dòng)波中測(cè)到的波速遠(yuǎn)低于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中或在計(jì)算機(jī)上模擬時(shí)得到的結(jié)果。目前還沒(méi)有人知道原因是什么。”
這表明，地核中還有另外一種物質(zhì)。
它可能是另外一種金屬：鎳。但科學(xué)家對(duì)地震波在鐵鎳合金中傳播的情況進(jìn)行了估測(cè)，但似乎也與觀察到的結(jié)果不甚吻合。
△ 地球產(chǎn)生的振動(dòng)波在地球上縱橫交錯(cuò)。（圖片來(lái)源：Patrick Landmann/SPL）
沃卡德羅和她的同事們現(xiàn)正考慮地核中是否可能有其他元素，例如硫和硅。到目前為止，還沒(méi)有任何人能夠提出一個(gè)讓所有人都滿意的有關(guān)內(nèi)地核構(gòu)成理論。
沃卡德羅嘗試在計(jì)算機(jī)上模擬構(gòu)成內(nèi)地核的物質(zhì)。她希望能夠找出一種物質(zhì)、溫度以及壓力的組合恰好可以合適地減緩地震波的速度。
她說(shuō)，其中的奧秘可能就在于內(nèi)核幾乎處于熔點(diǎn)的溫度。因此，物質(zhì)的精確特性可能會(huì)與它們?cè)谕耆虘B(tài)下的情況有所不同。
這就能解釋為何地震波經(jīng)過(guò)內(nèi)核時(shí)比預(yù)計(jì)的速度更慢了。
“如果實(shí)際效果如此，我們就可以把礦物物理學(xué)的結(jié)果與地震學(xué)結(jié)果協(xié)調(diào)起來(lái)了，”沃卡德羅說(shuō)，“在此之前，還沒(méi)有人能做到這一點(diǎn)。”
△ 地球的磁場(chǎng)延生至太空。（圖片來(lái)源：Andrzej Wojcicki/SPL）
關(guān)于地核，仍然有大量的謎題尚未解決。但是無(wú)需挖掘到不可企及的深邃之地，科學(xué)家們已經(jīng)就已然了解了大量有關(guān)地下事物的信息。
地球深處那些隱秘的演變過(guò)程對(duì)我們的日常生活至關(guān)重要，而我們中的很多人卻并未意識(shí)到這一點(diǎn)。
地球擁有一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，這要?dú)w功于地球擁有液態(tài)的外核。液態(tài)鐵的持續(xù)運(yùn)動(dòng)在地球內(nèi)部創(chuàng)造了電流，從而衍生出一個(gè)延伸至太空的磁場(chǎng)。
而這個(gè)磁場(chǎng)又保護(hù)我們不受太陽(yáng)輻射的傷害。如果地核的構(gòu)成和狀態(tài)不像現(xiàn)在這樣，那么就不會(huì)存在地磁場(chǎng)，而我們也將面臨各種生存危機(jī)。
沒(méi)有人能夠見到地核，但是只要它在那兒，我們便很安心。
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