过去一、二十年以来,地震学家对于内地核传递地震波速度的差异,所反映出内地核东西与南北方向显著不同的物理性质感到困惑。在最新的实验与数值模拟结果中,推导出一个在东西方向上持续进行凝固与熔融作用的内地核,可以解释过去地震学上所观测到的结果。
我们知道由于越往地球中心压力越大,提高了地核物质熔融所需要的温度,使得地心附近温度不足以熔融地核的物质,因而形成了一个固态的内地核,被包围在液态的外地核之中。再加上地球的温度持续下降,使得组成外地核的合金中,密度较大的铁会渐渐凝固在内地核表面。如此一来,在与内地核交界处的外地核底部,理应留下一层密度较小的液体,但是根据地震波速度的观测结果却显示,这里有一层密度很大的液体存在。
除此之外,过去地震学家还发现地震波在内地核的南北方向上传递速度较快,在东西方向上的速度则是较慢。而且内地核的东西两侧并不对称,东侧内地核传递地震波的速度较快,地震波能量衰减的程度较大,且物质特性较为均一(不均向性较小)。这有可能是肇因于铁分子结晶构造的差异,也有可能是内地核的东西两侧构造本来就不对称。但是这个问题过去一直都没有定论。
为了解决这些困惑,法国里昂大学的科学家Alboussière等人,在最新一期的自然期刊上发表了最新的实验结果与数值模拟。他们利用注入不同密度的盐水,观察盐水槽中密度的变化与分布。搭配内地核凝固与融化的动态模型数值仿真,推导出内地核的变动情形,最后得到了一个相当令人难以想象的场景。
在地球的中心,外地核的地层,一股密度较大的液体扰动发生在内地核表层的西侧,凝固成为新的内地核。由于重力作用的关系,由于内地核的西侧增加了质量,整个内地核于是开始往东边移动。当内地核往东移动时,东侧固体的内地核物质相当于来到距离地表较近,压力较小的地区;因此内地核东侧物质的融点降低,产生了熔融的作用,形成一层密度较大的液体。
根据计算,内地核往东边移动的速度大约是每年1.5公分。大约一亿年后,整个内地核就和今天完全不同了。相较于内地核目前的大小(半径约一千两百公里)和年纪(约十亿年)相比,内地核东西方向上的凝固与熔融速度大约快了数十倍。而当内地核在东西两侧进行凝固与熔融作用的同时,它所造成外地核的物质对流作用,则是产生地球磁场的主要原因。
截至目前为止,这仍然只是一个相当简单的模拟。作者希望在未来能够继续探讨地核中的这个物质对流作用,是否会间接影响到地核之上的地函底部?又或者地函内的物质运动是否会回过头来影响地核内部?如此一来,才能让我们对地球整体的运作,有更完整的认识。
原始论文:
Bergman M. I., 2010, Earth science: An inner core slip-sliding away, Nature, 466, 697–698.
Alboussière et al., 2010, Melting-induced stratification above the Earth’s inner core due to convective translation, Nature, 466, 744–747.
董军摘自:地球科学网