地球内核是固态的——而不是液态的——尽管它炙热难当

关于地球内核的关键要点

地球的内核是固态且炙热难当。
几十年来，科学家们一直知道内核是固态的，这要归功于丹麦地震学家 Inge Lehmann 的开创性工作。她在分析 1936 年新西兰附近发生的一次大地震后的地震波行为后，首次提出了内核的存在。她注意到细微的波反射，表明地球内部有一个固态球体嵌套在液态外核中。
地球的内核是一个直径约 1500 英里的球体，主要由铁和镍组成。它位于行星液态外核的内部，外核又位于地幔和地壳之下。内核在大约十亿年前，随着地球内部在其形成后最终开始冷却和固化而形成。

在我们脚下深处，比任何钻探都能企及的地方都要远，存在着一个既极端又神秘的领域：地球的内核。对许多人来说，这个位于地球心脏的超高温金属球是地质学上最伟大的谜团之一。它是固态还是液态？是静态还是动态？那里的温度究竟有多高？

简而言之：是的，地球的内核是固态的，而且炙热难当。但它也令人惊讶地复杂，并且仍然隐藏着许多秘密。

幸运的是，最近的地震学突破，包括对难以捉摸的剪切波的探测和分析，正在重塑我们对这个区域的理解。这些发现表明，地球的内核不仅是固态的，而且是有层次的，缓慢移动，甚至可能像熔岩灯一样对流，尽管它是由固态金属组成的。

我们为什么知道地球的内核是固态的

地球的内核是一个直径约 1500 英里的球体，主要由铁和镍组成。它位于行星液态外核的内部，外核又位于地幔和地壳之下。该内核在大约十亿年前，随着地球内部在其形成后最终开始冷却和固化而形成。如今，内核仍然在生成地球全球磁场方面发挥着至关重要的作用，该磁场保护生命免受太阳和宇宙辐射的侵害。

几十年来，科学家们一直知道内核是固态的，这要归功于丹麦地震学家Inge Lehmann的开创性工作。她分析了 1936 年新西兰附近发生一次大地震后的地震波行为，首次提出了内核的存在。她注意到细微的波反射，表明地球内部有一个固态球体嵌套在液态外核中。但直到最近，研究人员才捕获到穿过固态内核的剪切波的直接证据，从而能够更好地理解其真实结构。

“探测到穿过内核的剪切波（J 波）是一个突破，因为它揭示了这个固体区域（大小约等于冥王星）的特定力学特性，”澳大利亚国立大学（Australian National University）地球物理学主管 Hrvoje Tkalčić说。“剪切波只能穿过固体传播，其速度和行为取决于材料的刚度和密度。”

因此，通过测量这些波，研究人员可以更好地估算内核的刚度和成分。研究结果不仅证实了内核的固态性质，还有助于科学家们更好地理解其形成和随时间的演化。

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为什么它不是液态的，尽管温度如此之高

内核是地球最热的层。

“如果我们能剥开地幔和外核，就能看到内核：一个发光的、由铁镍组成的固态球体，温度接近 6000 摄氏度（10800 华氏度），堪比太阳表面，”Tkalčić 说。

这种热量是地球形成时遗留下来的，并且由放射性衰变和上层压力维持。但尽管温度极高，但这些深度下的巨大压力阻止了内核融化，使其保持固态。

与此同时，周围的液态外核温度稍低，由于与内核边界处的极端热量传递，它会发生对流运动。液态外核中的这种对流运动产生了地球的地磁发电机（geodynamo），这是维持我们星球保护性磁场的机制。

为什么内核很复杂

尽管内核是固态的，但它并非永久固定。它可能以与地球其他部分略有不同的速率旋转，并且在地质时期，它会在压力下变形。

“在人类寿命尺度上，地幔和内核似乎是固态的，”Tkalčić 说。“但在数百万年的时间里，它们会在巨大的热量和压力下流动和变形，非常像橡皮泥，快速挤压时坚硬，但缓慢受力时会伸展。”

这种塑性为如相对于地幔的缓慢旋转甚至热对流等过程打开了大门，热流可以导致固态内核非常缓慢地搅动。这种微妙的运动以及结构上的复杂性，可能会影响磁场随时间的变化以及地球的长期构造过程是如何驱动的。

地球内核的成分

通过测量剪切波解锁的精确信息还揭示了其他一些意想不到的事情：内核可能有多层，包括一些研究人员称之为*最内层内核*的结构。

“地震数据显示，存在一个独特的中心区域，半径约为 300 公里至 600 公里，其各向异性与外内核不同，”Tkalčić 说。“这暗示着存在一个最内层内核。”这种微妙但可检测的分层可能是由于晶体排列、成分或随时间的热变化不同造成的，Tkalčić 认为这可能是内核分阶段固化的结果。

Tkalčić 说，这种观察到的复杂性不仅挑战了均匀固态内核的观念，而且“[它] 进一步完善了我们对内核在地球磁场生成及其演化中所起作用的理解，表明它不仅仅是一个静态的固体，而是一个具有复杂、可能具有动态内部运动的区域。”

我们对内核还不知道什么？

尽管取得了这些进展，但关于内核的许多问题仍然存在。例如，地震观测、实验室实验和矿物物理学估算仍然无法完全就内核的成分或刚度达成一致。

为了试图解开这个谜团，研究人员正在采用多种新技术。高分辨率地震 X 射线成像、机器学习甚至下一代中微子探测器都可能帮助他们更详细地绘制内核的地图。与此同时，强大的计算机模拟，即所谓的*从头算起模型*（ab initio models），正在帮助预测铁和镍在任何实验室都无法复制的条件下的行为。

“我们 employed 的相关波场等创新方法，用于探测内核中的 J 波，这才是成功的关键和前进的方向，”Tkalčić 说。“将这些方法与机器学习相结合来分析海量的地震数据，可以增强对微弱信号的检测能力，从而揭示对流、动态地形或差速旋转等动态过程。”

一个值得探索的核心

尽管我们永远无法亲身前往，但地球的内核仍然是科学中最诱人的前沿领域之一——一个完全隐藏的球体，温度堪比太阳，它塑造着地表而非地下世界。

“探索地球的内核就像凝视遥远的行星和恒星一样迷人，都促使我们思考我们星球的演化、宇宙的历史以及我们在其中的位置，”Tkalčić 说。“像恒星一样，它塑造着周围的环境，驱动着产生地球磁场的地磁发电机，保护生命免受宇宙威胁。研究这个内部的‘恒星’不仅揭示了地球的古老过去，也反映了人类探索宇宙的追求。”

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