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地球内核正在变得不对称

在我们脚下深处,一个地质奥秘正在显现,它可能会揭示出我们头顶上维持生命的磁场的奥秘。

作者:Cody Cottier
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来源:Vadim Sadovski/Shutterstock

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每年,地球固体铁内核都会随着地球深部区域的冷却和固化而增长约一毫米。根据最近的一项研究,其中一面似乎生长得更快——但科学家们不知道原因。

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这一现象可能可以追溯到 15 亿至 5 亿年前内核的形成。在那时,经过数十亿年的冷却,地球炽热的内部终于散失了足够的热量,开始了一个持续的结晶过程。现在,随着外核熔铁失去热量,它结晶成为内核的最新层。

这个活跃半球的中心位于印度尼西亚班达海下方 1800 英里处:在该内核这一点形成的铁晶体比地球另一侧多约 60%。

如今,内核的半径约为 750 英里(更不用说超过 9000 华氏度的高温)。然而,即使经过漫长的偏斜生长,它实际上也并未变形。重力持续作用于塑造它,重新分配东部的多余部分,并维持球形。除了构成一个迷人的谜团外,这种不对称生长可能有助于驱动地球的磁场(并使我们的生存成为可能)。

行星空调

对于我们称之为家园的巨大洋葱来说,内核是一个如此小而遥远的部分,但它对我们这些地表居民有着巨大的影响。加州大学伯克利分校的地球物理学家、这项新研究的首席作者 Daniel Frost 开玩笑说,他“总是不得不证明内核的重要性。”事实上,我们 owes existence — as it cools, it releases heat and creates convection in the outer core. 最终,那种翻腾的液态铁(称为地磁发电机)产生了保护地球生命免受危险太阳风侵害的磁场。

同样,上层也会影响内核。“一切都受到其上方事物的影响,”Frost 说。内核被外核包围,外核被地幔包围,地幔被地壳包围。因此,为了让内核生长,它必须传递热量——有些是地球形成时的残余热量,有些是衰变元素的放射性热量——传递给每一个连续的层。反过来,每一层都必须能够接收热量。

这暗示了内核不均匀冷却的一种可能机制。印度尼西亚下方最大的生长点是一个主要的俯冲带。在那里,相对较冷的构造板块碎片会潜入并冷却炽热的地幔。“这就像在里面扔冰块,”Frost 说。这种温度梯度使得更深层能够散失热量,从而使内核固化。

虽然这些“冰块”很小,但他认为它们可能足以起到决定性作用。“这都是一个微妙的平衡,”他说。“我认为不需要太多就能促成这种差异。”然而,这种解释可能过于简单化:尚不清楚来自地球深处的热量是否以垂直直线散失。潜入的印度尼西亚地壳可能很容易冷却中国或沙特阿拉伯下方的核心,而不是印度尼西亚下方的核心。

地震超高速公路

目前,不对称性本身仍未得到解释,但它确实为另一个长期存在的谜团提供了一个解决方案:为什么内核中的铁晶体会平行于地球的南北旋转轴排列。(没有人直接观察到内核的结构,但地震学家已经观察到,地震在内核中从南北极穿过比横跨赤道传播得更快。)在其他条件相同的情况下,晶体*应该*是随机排列的。

伯克利的研究人员认为,答案在于核心的偏斜形成。随着重力重新分配晶体,根据他们的计算机模型,它会使晶体进入一种“流动”状态。“想象一下把木棍扔进河里,”Frost 说。“如果河水在流动,木棍就会随着水流而排列。”同样,由于内核在流动,晶体就会随着它排列并形成一个有序的晶格,这个晶格就像地下震颤的高速公路。

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要理解这种不对称性与磁场之间的联系,还需要更多的研究。但鉴于这种行星护盾在我们生存中的重要作用,研究支撑它的过程是值得的。科学家们早就知道磁场会不时地反转(我们已经到了该反转的时候了),并且在过渡期间会暂时减弱。但尚不清楚原因。当谈到对地球内核的新发现时,Frost 说,“问题总是:‘这与磁场反转有关吗?’”

  • Cody Cottier

    Cody Cottier是《发现杂志》的自由撰稿人,经常报道关于动物行为、人类进化、意识、天体物理学和环境的新科学研究。 

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