物理學家正在揭開地球內核的巨大奧秘

在我們腳下的深處，超過 5,100 公里的驚人深度，隱藏著地球的內核——一個由鐵和鎳組成的實心球，在塑造我們在表面體驗的條件方面發(fā)揮著至關重要的作用。事實上，沒有它，我們甚至不太可能存在。

但是，盡管它很重要，但它是如何形成和發(fā)展的還是有點令人費解。我們甚至不知道它有多老了。幸運的是，礦物物理學讓我們離解開這個謎團更近了一步。

內核負責地球的磁場，它就像一個盾牌，保護我們免受有害的太陽輻射。這個磁場對于創(chuàng)造數(shù)十億年前讓生命繁榮的條件可能很重要。

地球的內核曾經是液態(tài)的，但隨著時間的推移已經變成了固體。隨著地球逐漸冷卻，內核在周圍富含鐵的液體“凍結”時向外膨脹。也就是說，它仍然非常熱，至少 5,000 開爾文 （K） （4726.85°C）.

這種冷凍過程會釋放出氧和碳等元素，這些元素與熱固體不相容。它在外芯底部產生一種熱的、有浮力的液體。

液體上升到液體外核中并與之混合，從而產生電流（通過“發(fā)電機作用”），從而產生我們的磁場。

有沒有想過是什么讓北極光在天空中翩翩起舞？你可以感謝 inner core。

隱秘結晶

為了了解地球磁場在其歷史上是如何演變的，地球物理學家使用模擬地核和地幔熱狀態(tài)的模型。

這些模型幫助我們了解熱量在地球內部是如何分布和傳遞的。他們假設固體內核在液體冷卻到熔點時首次出現(xiàn)，并以此為時間當它開始結冰時.問題是，這并不能準確反映凍結過程.

因此，科學家們探索了“過冷”的過程。過冷是指液體冷卻到其冰點以下而不變成固體。這種情況發(fā)生在大氣中的水，有時在形成冰雹之前達到 -30°C，而且地核中也有鐵。

計算表明，實際上需要高達 1,000K 的過冷度冷凍純鐵在地核。鑒于核心的電導率意味著它以每十億年 100-200K 的速度冷卻，這帶來了重大挑戰(zhàn)。

這種過冷水平意味著核心在其整個歷史（1000 到 5 億年）中都需要低于其熔點，這帶來了額外的復雜性。

由于我們無法物理地進入核心——人類只鉆進了地球 12 公里——我們幾乎完全依賴地震學了解我們星球的內部。

內核于 1936 年被發(fā)現(xiàn)，其大小（約占地球半徑的 20%）是地球深處受限制最嚴格的特性之一。我們使用這些信息來估計堆芯的溫度，假設固體和液體之間的邊界代表熔點和堆芯溫度的交點。

這個假設還有助于我們估計在內核開始從內核和外核組合形成之前可能發(fā)生的最大過冷程度。

如果內核最近凍結，則內核-外內核邊界的當前熱狀態(tài)表明，當內核剛開始凍結時，組合內核可能低于其熔點多少。這表明，核心最多可能是過冷約 400K.

這至少是地震學允許的兩倍。如果內核在凍結前過冷了 1,000K，則內核應該比觀察到的要大得多?；蛘?，如果 1,000K 是凍結所必需的并且從未達到，則內核根本不應該存在。

顯然，這兩種情況都不準確，那么有什么解釋呢？

礦物物理學家已經測試了純鐵和其他混合物，以確定需要多少過冷才能啟動內核的形成。雖然這些研究尚未提供明確的答案，但已經取得了有希望的進展。

例如，我們了解到，意想不到的晶體結構和碳的存在可能會影響過冷。這些發(fā)現(xiàn)表明，以前未考慮的某些化學或結構可能不需要如此大的過冷度。

如果核心可以在小于 400K 的過冷度下凍結，那么它就可以解釋我們今天看到的內核的存在。

不了解內核形成的影響是深遠的。以前對內核年齡的估計范圍從500 到 10 億年。但這些并沒有解釋過冷問題。即使是 100K 的適度過冷也可能意味著內核比以前認為的年輕幾億年。

了解古地磁巖石記錄（地球磁場的檔案）中內核形成的特征，對于那些研究太陽輻射對大規(guī)模滅絕影響的人來說至關重要。

在我們更好地了解磁場的歷史之前，我們無法完全確定它在宜居條件和生命的出現(xiàn)中的作用。

阿爾弗雷德·威爾遜-斯賓塞， 礦物物理學研究員利茲大學

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