2020-06-06 13:06:25 来源:参考消息网 责任编辑:崇珅
核心提示:在地核中心处的内核是一个灼热但仍为固体的镍铁球,半径约1200公里,温度约5400℃,接近太阳表面温度。其外层是地核的液态外核,主要成分为温度差不多的镍铁,离中心越近,温度越高。但我们怎么能够知道一个如此不可及之处的这些细节呢?我们所有的知识都是间接的,有赖于地震学。

参考消息网6月6日报道 英国广播公司网站5月29日刊载题为《地核:地球中心有什么?我们怎么知道的?》的文章,介绍人类如何揭开地核面纱。现将文章编译如下:

即使在当下,我们钻入地球最深处也只有12公里左右,而到地球中心的距离是其500多倍,为6370公里。

那么,我们是如何知道地下有什么的?搞清楚地球中心处有什么一直是一个巨大的科学难题。

现在,我们将地球内部分成三部分:外层是地壳,厚度在5公里至75公里之间;地幔,深度可达2900公里左右,而地核——本文中我们感兴趣的部分——厚度大约3500公里,分为两个不同部分。

在地核中心处的内核是一个灼热但仍为固体的镍铁球,半径约1200公里,温度约5400℃,接近太阳表面温度。其外层是地核的液态外核,主要成分为温度差不多的镍铁,离中心越近,温度越高。

但我们怎么能够知道一个如此不可及之处的这些细节呢?

我们所有的知识都是间接的,有赖于地震学。

地震发生后,地震波在地球内部的传播,取决于它们通过的物质、改变形式和方向。地球物理学家利用这些信息推断地核处存在什么,他们的地震仪相当于探测地球内部的望远镜。

波能告诉我们什么

虽然在地震中造成破坏的地震波是那些在地表传播的波,但还有两种在地球内部传播的“体波”。P波(P代表“主要”)是纵波,就像声波一样。它们在其传播方向上振动,在地球内部传播时会挤压其介质。

P波传播速度极快——在花岗岩这种岩石中每秒大约5公里,在地幔密度最大处每秒高达14公里。

第二种体波是S波(S代表“次要”),是速度较慢的横波,振动方向垂直于传播方向。与P波不同,它们无法在液体中传播,这正是这两种波对帮助我们理解地核至关重要的原因。

想象一下,发生一场大地震。波开始在地球内部传播。P波一马当先,S波以大约一半的速度紧随其后。这两种波都将被地球各处用于测量地表震动的地震仪探测到。

但是,当这些波穿过地核到达一个遥远的测量站时,会出现一个所谓的阴影区。从震中开始绕地球周长传播约104度后,波消失了。从140°开始,P波重新出现,但没有伴随它的S波。

早在1906年,英国地质学家理查德·奥尔德姆就意识到这种奇怪阴影的影响。奥尔德姆在印度地质勘探局度过了职业生涯的大部分时间,经常在喜马拉雅山区工作。1903年退休回到英国后,他利用此前若干年积累的数据来对地球内部进行研究。他意识到,如果地球中心是液体,就可以解释所探测到的P波和S波的行为。

在此种情况下,P波将被液体折射,像光在从水中向空气中传播时那样偏移方向,留下一个独特的阴影。与之相比,S波将被一个液体核心完全阻止。

奥尔德姆的突破带来了一个被广泛接受的观点:地球有一个熔化的核心。

但30年后,丹麦地震学家英奇·莱曼认为,奥尔德姆的想法太过简单。地球中心的大密度液体折射P波,应该产生一个完全的阴影。事实上,利用莱曼所处时代能够得到的更为灵敏的地震仪进行的测量显示,微弱的P波仍在抵达阴影区。

通过研究1929年新西兰地震中地震波在地球内部传播的数据,莱曼提出,这些波在一个固体内核与外层液体间的边界上发生了反射。

哪些材料构成地核

莱曼的研究成果于1936年发表,并在两年后被贝诺·古滕贝格和查尔斯·里奇特所证实。他们精确复制了一个固体核心的效果。

最终于1970年,这些被反射的地震波得到了直接测量。

进一步研究探测到更微弱的波,这些延迟到达的波必定是先作为纵向P波穿过液态外核,然后在内核中转变为横向S波,最后在离开内核后再变回P波。

这一发现在2005年才得到证实,是固体核心观点的进一步证据。

即便如此,内核的确切性质仍有待讨论。例如,只有通过对材料在压力下如何熔化和凝固的实验性研究,才能计算出温度。

事实上,地核主要由铁和镍构成这一假设是将不同元素在银河系中我们这一区域出现的频率以及我们对地球形成过程的理解相结合的产物。

在地球中心的巨大压力下(超过300万倍大气压),各种材料的表现会与在通常情况下截然不同。

我们能否造访地核

虽然构成内核的材料最有可能是一种固态镍铁合金,但一种密度极高的等离子体——即在恒星中发现的物质状态——可能具有类似特性。这里的困难之一是了解材料在这种极端环境下有何种表现。

金刚石压砧登场了。在这个非同寻常的装置中,两颗直径只有零点几毫米的金刚石被挤压在一起。

对一小块区域施力产生的压强比对一大块区域施同样力产生的压强要大——这就是被高跟鞋踩到比被平跟鞋踩到要痛苦得多的原因。

通过金刚石压砧产生出为地球核心两倍的压力,同时通过激光进行加热。金属样品被粉碎并加热到与地核类似的状态,其结果表明,地球中心存在一种晶状固体。

然而现实是,我们永远无法接近地核。

热、压力和放射性(地核内部热量的主要来源之一)的水平如此之高,即使我们能够钻透6000多公里的岩石和金属,探测器也无法存在。与抵达地核相比,前往太阳系外空间微不足道。

但是,我们这个星球自身的振动——通过地震产生,并由英奇·莱曼等科学家进行了解释——给了我们凭借思想探索我们永远不会亲身造访的地域的手段。

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