地球的内部就像是一颗洋葱,可以分为不同的层。地球的最外面是一层薄而寒冷的岩石外壳,它包裹着一层厚约2900千米的热岩地幔。地球的核心由两部分组成,一部分是由液态的铁和镍构成的外核,还有一部分是由固态的铁和镍构成的内核

  地球的结构。|素材来源:ArtsyBeeKids/pixabay

  随着时间的推移,地球温度下降,液态的外核逐渐冻结、凝固,生长成新的内核。如今,固态的铁镍内核半径已达到1200千米。最近,加州大学伯克利分校的一组研究人员发现,由于某种未知的原因,自地球的铁镍内核从熔融状态冻结成固态这一过程开始,固体内核的一侧就比另一侧增长得更快。新的结果发表在了近期的《自然-地球科学》杂志上。

  大约在30多年前,有研究发现地震波从北到南的传播速度比从东到西更快。然而,没有人知道这是为什么。在一项新研究中,为了解释这种现象,研究人员创建了一个基于地球动力学和高温高压下的矿物物理学的计算机模型。他们用这个模型来模拟铁晶体在地核的不同增长模式,以此来模拟不同的地核。

  通过调整模型里的一些参数来拟合地震仪所记录的数据,他们发现,唯一可以解释这种困扰了科学家30多年的现象的,是一个不对称增长的内核模型——当他们将地球的内核模型调整为东侧增长的比西侧快大约60%时,得到的数据与地震仪所记录的数据最为吻合。

  一个新的模型表明,东侧的内核的增长速度比西侧更快。| 图片来源:Marine Lasbleis

  一直以来,科学家认为在重力的作用下,随着熔融铁的冷却而形成的固态铁晶体会均匀地分布,使得地球的内核保持为一个半径平均每年增长约1毫米的球形。但新的模拟结果意味着在地球的内核中,铁的凝结是有“偏向性”的,它在东侧凝结得比西侧更多,而非像科学家之前所预期的那样随机、均匀分布

  铁的凝结为何会优先地朝着一个方向?研究人员认为,随着铁晶体的生长,重力会将内核中多余的生长从东侧向西侧重新分配。这种在相对柔软的内核中发生的晶体移动,会使晶格沿地球的旋转轴向西排列的程度大于向东排列的程度。

  随着液态铁外核(橙色)的冻结,固态的铁内核(红色)缓慢增长。地震波在地球南北两极(蓝色箭头)之间穿过地核的速度,比穿过赤道(绿色箭头)要快。研究人员认为,这种速度上的差异可能由晶体的排列造成的,因为它们本身是各向异性的。| 图片来源:Daniel Frost

  这种不对称增长还与另一个重要的问题息息相关,那就是地球磁场。在外核和地幔中,都有对流发生。铁在内核的凝固过程会释放热量,这能造成外核的缓慢沸腾;而在地幔中,随着较热的岩石向上移动,热量被从地球核心带到地表。液态的铁外核中所发生的剧烈沸腾,导致了地球磁场的产生

  如果地球内核的增长是不对称的,那么保护了地球免受来自太阳的危险粒子的伤害的地球磁场就会受到影响,这又进一步意味着这种不对称增长对于地球上的生命史也有着重要意义。

  在新的研究中,研究人员根据内核的热量流失方式和温度,计算出了地球内核的年龄范围——在5亿年到15亿年之间。关于内核年龄的争论已经持续了很长时间,因为它涉及到这样一个问题,即地球磁场是如何在固体内核存在之前就已经存在了?

  与已知存在了30亿年的地球磁场相比,内核是非常“年轻”的。如果内核最多只存在了15亿年,那么更古老的磁场从何而来?这是否意味着那时候必然有其他过程推动了外核的对流?研究人员认为,较为年轻的内核年龄可能意味着在地球的早期历史中,让液态地核沸腾的热量并非来自于铁的凝结,而是来自于其他轻元素从铁中分离。

  新的地核生长模型除了给我们带来了关于内核年龄的信息之外,也同时为地球中心镍和铁的比例给出了范围。结果表明,当镍占到内核的4%到8%时,模拟结果可以准确地再现地震观测结果。这是接近金属陨石的比例,而这些金属陨石曾经可能是太阳系中的矮行星的内核。该模型还能告诉地质学家地核的黏度,或者说其流体程度。

  虽然对于究竟是什么原因造成了这种不对称内核,还尚无定论,但研究人员认为,这种不对称的增长是由某种未知的力量使得地球的东侧比西侧冷却得更快而造成的。一个可能的原因是东半球不断增加的俯冲作用,带走了地壳的寒冷部分,并将其置于地壳和地幔边界附近。

  接下来,研究人员计划继续探索内核的增长将如何影响外核的流动,以此来揭开更多关于地球核心的秘密。

  #创作团队:

  文字:魔里郎

  #参考来源:

  https://news.berkeley.edu/2021/06/03/is-earths-core-lopsided-strange-goings-on-in-our-planets-interior/

  https://www.nature.com/articles/s41561-021-00761-w

  #图片素材来源

  封面及首图来源:Marine Lasbleis


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