内幕故事

本文是 《Discover》特刊 “地球之极” 的一小部分节选。

《Discover》特刊 地球之极。

行星科学家大卫·史蒂文森花了三十年时间研究塑造了我们家园的巨大碰撞和地质灾难。他的发现帮助解答了关于地球的形成、结构和演变的一些最大问题。我们知道，地球有一个部分固态、部分液态的地核，主要由铁组成，外面环绕着厚厚的、流动的地幔，最上面是一层薄薄的地壳。尽管如此，这位63岁的、来自新西兰的科学家表示，我们对地球的深层结构仍然知之甚少。为了学到更多，他为美国宇航局的“朱诺号”任务贡献了想法，该任务于8月发射。这艘航天器将绕木星运行，研究其内部，这可能间接揭示地球的洞见——例如地核是如何形成的，我们的行星磁场来自哪里，以及为什么我们有如此多的水。在加州理工学院帕萨迪纳办公室，史蒂文森与《Discover》杂志谈论了关于月球形成仍未平息的争议，他大胆地提议将探测器送入地球炽热的深处，以及为什么我们对脚下的一切仍然知之甚少。

地球显然经历了一个艰辛的诞生过程。当时是什么样的？你首先要从太阳的形成和一个围绕它的星际尘埃盘开始，其中包含气体和小天体。这些小天体逐渐聚集形成更大的天体，它们相互碰撞，然后由于引力的作用而坍缩在一起。地球形成的最后阶段涉及非常大的天体之间的碰撞，释放出大量热量。这些事件发生在46亿年前。这让我们对我们星球的诞生有了一个非常痛苦、高能量的过程的印象，涉及非常大的天体碰撞，地球完全熔化，非常炽热——一个非常恶劣的地方。

那其他行星呢？当时它们在做什么？太阳系的结构主要由巨行星主导，尤其是木星，因为它比所有其他行星的总质量还要大，因此它具有巨大的引力影响。许多撞击地球的小天体都是被木星推向碰撞轨道的。木星也是我们这里有如此多水的原因。关于海洋起源最普遍接受的观点是，水来自木星附近冰冷的天体；木星将这些天体发送撞击地球。木星的一些卫星，如木卫三和木卫四，含水量高达50%。输送像这样的物体是为地球提供水源的非常有效的方式。

那我们的月亮呢？根据最新的想法，它是由又一次巨大的碰撞产生的，对吗？月球的起源涉及一个非常巨大的天体撞击地球，一次相当于火星大小的巨大撞击，火星的质量约为地球的10%。我们认为这次碰撞发生在太阳系形成5000万年后，并且是地球形成过程中的最后一次重大事件。所以，你有一个10%质量的天体以至少每秒7英里的速度撞击地球，溅射出进入轨道的物质。其中大部分用于建造地球，但一些轨道碎片会聚集起来，成为形成月球的物质。虽然月球起源的基本想法已经确立，但实际发生的方式——甚至时间——都存在激烈的争论。如果说有什么不同的话，那就是这个话题比十年前更加热门。以及月球形成如何与地球获得富含铁的地核联系起来，这都是故事的重要组成部分，因为形成月球的撞击为地球的演变奠定了基础。

那么地幔呢，它构成了地球内部的大部分——它也是来自撞击我们行星的物质吗？地球上的一切，不仅仅是地幔，都来自别处。撞击地球的物质既有我们现在称为地幔的物质，也有我们称为外核和内核的物质。地幔之所以存在，是因为铁与地幔岩石分离，然后它更大的密度导致它下沉到中心。

我们怎么会知道这么多关于遥远的过去和我们从未见过过的地球部分的信息？地球和月球的化学成分可以告诉我们这些物质来自哪里。我们还可以通过观察宇宙中其他正在形成行星的地方来了解行星是如何形成的。第三部分是计算机和理论建模。

地球是已知唯一拥有板块构造的行星，其中地幔和地壳的上部板块会移动，板块漂移并引发各种地质活动。我们的世界有什么特别之处？

这是尚未解决的重大问题之一。回答这个问题最有希望的候选者是水。我们知道液态水对生命至关重要，但水也会改变岩石。它会改变岩石的强度，使它们变弱。如果它们变弱，那么就更容易将外壳（地球坚硬的岩石圈）分割成板块。水的化学性质也可能有助于形成花岗岩等构成大陆基础的岩石。

为了获得更多答案，您曾提议将一个探测器嵌入液态铁中并将其射入地球中心。那个想法是怎么回事？

这句话带有一半开玩笑的意味，尽管它有严肃的意图，那就是让人们意识到，也许有一种我们还没有尝试过的方法可以进入地球内部。我们知道无法钻很深。[最深的钻孔只有7英里多一点。]这简直是绝望的。所以必须有其他方法。我们花费了数十亿美元向太阳系各处发射探测器。但我们却没有花费任何与之相提并论的钱来探测我们脚下的地下。我的想法是打开一条裂缝——可能通过爆炸，但未必如此——然后在地面上挖出一个楔形，然后将液态铁倒入其中。液态铁比岩石重，因此它可以将岩石推开，铁会继续向下。你可以将一个探测器放在铁中，它可以下沉到外核，通过地震波——通过发送声波来通信——发送回信息。

我们现在如何研究地核？最重要的方法之一是地震学。当你发生大地震时，声波会穿过地球内部，你可以在地表检测到它们，并注意到它们到达那里所需的时间。这告诉你内部的物质，因为不同的物质有不同的声速。通过详细研究地震记录，你可以推断出地球有一个液态外核和一个固态内核，而且两者都主要是铁。

地球还有一个磁场，它是由外核的液态部分产生的。所以，如果你想了解的不仅仅是成分，就需要观察地球的磁场。这有点像研究天气，因为磁场是动态的，会发生磁极倒转和强度波动。目前，磁场的主要部分正在迅速衰减。但这并不特别罕见。

如果你能向下挖两千英里并取出一块地球核心，它会是什么样的？如果我手里拿着一块地球核心？它主要是铁，但里面还有其他东西。而那些其他东西是关于地核如何形成以及它如何演变的记忆。这很令人兴奋，因为它就像打开一本讲述地球故事的书。我们有充分的理由认为地核很早就形成了，所以它可能是了解地球早期历史的最佳地点。而且我们可以更多地了解磁场是如何产生的。尽管我们有一个关于磁场如何产生的“发电机理论”，但我们实际上看不到发电机。发电机之所以可能，是因为机械能——在这种情况下是外核流体的运动——可以产生磁场。这被称为电磁感应，最早由英国物理学家迈克尔·法拉第在150多年前解释。产生电力的涡轮机就是基于类似的原理。

那我们真正能触摸到的东西呢？从地表岩石中我们能学到什么？最古老的地球岩石，就我们能握在手中的物体而言，大约有40亿年的历史。但40亿年和46亿年之间有巨大的差异，所以那些岩石并不能告诉我们地球是如何形成的，尽管它们确实告诉我们大陆是如何形成和稳定的。

最古老的岩石碰巧在加拿大，但澳大利亚、格陵兰和南非也有近乎同样古老的岩石。一种叫做锆石的微小矿物也从早期地球保存了下来。锆石非常耐风化，有些，特别是在澳大利亚西部，可以追溯到大约44亿年前。有些人希望我们能找到可以追溯到地球形成时期的物质。

经过三十年的研究，你是否觉得自己终于了解了我们行星的内部构造？不如我希望的那样。是的，我们知道地核主要是铁。是的，外层是液态的。是的，地幔是硅酸盐，我们甚至大致知道是哪些硅酸盐。但是，关于地球如何形成以及如何演变的信息，很多都蕴含在细节中。从这个意义上说，我们仍然不理解它，因为我们还没有机会更仔细地观察。