地核的形狀可以用一種神秘的成分來解釋

我們星球中心的富含鐵的核心一直是地球演化的重要組成部分。核心不僅為保護(hù)我們的大氣層和海洋免受太陽輻射的磁場提供動(dòng)力，它還影響不斷重塑大陸的板塊構(gòu)造。

但是，盡管它很重要，但許多最基本的屬性核心的是未知的。我們不知道核心到底有多熱，它是由什么制成的，也不知道它何時(shí)開始凍結(jié)。

幸運(yùn)最近的發(fā)現(xiàn)我和我的同事們讓我們更接近解答這三個(gè)謎團(tuán)。

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我們知道地球內(nèi)核的溫度大約是 5,000 開爾文 （K） （4,727°C）。它曾經(jīng)是液體，但隨著時(shí)間的推移已經(jīng)冷卻并變成固體，并在此過程中向外膨脹。當(dāng)它冷卻時(shí)，它會(huì)將熱量釋放到上覆地幔，驅(qū)動(dòng)板塊構(gòu)造背后的洋流。

同樣的冷卻也會(huì)產(chǎn)生地球的磁場。如今，該磁場的大部分能量來自冷凍巖心的液體部分，并在其中心生長固體內(nèi)巖心。

然而，由于我們無法訪問核心，因此我們必須估計(jì)其特性以了解它是如何冷卻的。

了解巖心的一個(gè)關(guān)鍵部分是了解其熔化溫度。我們從地震學(xué)（地震研究）中知道固體內(nèi)核和液體外核之間的邊界在哪里。

核心的溫度必須等于其在此位置的熔化溫度，因?yàn)檫@是它結(jié)冰的地方。因此，如果我們知道熔化溫度的確切值是多少，我們就可以更多地了解巖心的確切溫度——以及它是由什么組成的。

神秘的化學(xué)

傳統(tǒng)上，我們有兩種方法來弄清楚核心是由什么組成的：隕石和地震學(xué)。

通過檢查隕石的化學(xué)成分——隕石被認(rèn)為是從未形成的行星碎片，或者被摧毀的類地行星的核心碎片——我們可以了解我們的核心是由什么組成的。

問題是這只能給我們一個(gè)粗略的想法。隕石向我們展示了核心應(yīng)該由鐵和鎳制成，也許還有百分之幾的硅或硫，但很難比這更具體。

另一方面，地震學(xué)要具體得多。當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生的聲波穿過地球時(shí)，它們會(huì)根據(jù)它們穿過的物質(zhì)而加速和減速。

通過比較這些波從地震到地震儀的傳播時(shí)間，以及實(shí)驗(yàn)中波穿過礦物和金屬的速度，我們可以了解地球內(nèi)部是由什么組成的。

事實(shí)證明，這些旅行時(shí)間要求地核大約密度比純鐵低 10%，并且液體外芯比固體內(nèi)芯致密。只有一些已知的堆芯化學(xué)成分才能解釋這些特性。

但即使在一小部分可能的成分中，潛在的熔化溫度也會(huì)相差數(shù)百度——這讓我們對巖心的精確特性一無所知。

新的約束

在我們的新研究中，我們利用礦物物理學(xué)來研究巖心是如何首先開始凍結(jié)的，發(fā)現(xiàn)了一種理解巖心化學(xué)性質(zhì)的新方法。而且這種方法似乎比地震學(xué)和隕石更具體。

模擬液態(tài)金屬中原子如何聚集形成固體的研究發(fā)現(xiàn)，某些合金比其他合金需要更強(qiáng)烈的“過冷”。

過冷是指當(dāng)液體冷卻到熔化溫度以下.過冷越強(qiáng)烈，原子就越頻繁地聚集在一起形成固體，使液體凍結(jié)得更快。冰箱中的水瓶在冷凍前可以過冷至 -5°C 數(shù)小時(shí)，而當(dāng)云中的水滴冷卻至 -30°C 時(shí)，冰雹會(huì)在幾分鐘內(nèi)形成。

通過探索巖心所有可能的熔化溫度，我們發(fā)現(xiàn)巖心可能最過冷的溫度比熔化溫度低 420°C 左右——超過這個(gè)溫度，內(nèi)核就會(huì)比地震學(xué)發(fā)現(xiàn)的要大。但純鐵需要不可能的 ~1000°C 過冷才能凍結(jié)。如果冷卻這么多，整個(gè)核心就會(huì)結(jié)冰，這與地震學(xué)家的觀察相反。

添加硅和硫，隕石和地震學(xué)都表明硅和硫可能存在于核心中，只會(huì)使這個(gè)問題變得更糟，需要更多的過冷。

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我們的新研究探討了碳在巖心中的影響。如果核心質(zhì)量的 2.4% 是碳，則需要大約 420°C 的過冷才能開始凍結(jié)內(nèi)核。這是第一次證明冷凍核心是可能的。如果巖心的碳含量為3.8%，則只需要266°C的過冷。這仍然很多，但更合理。

這一新發(fā)現(xiàn)表明，雖然地震學(xué)可以將核心可能的化學(xué)成分縮小到幾種不同的元素組合，但其中許多無法解釋行星中心存在固體內(nèi)核。

巖心不能僅由鐵和碳制成，因?yàn)閹r心的抗震特性至少需要一種元素。我們的研究表明，它更有可能含有一點(diǎn)氧氣，可能還含有硅。

這標(biāo)志著朝著了解核心是由什么組成的、它是如何開始結(jié)冰以及它如何從內(nèi)到外塑造我們的星球邁出了重要一步。

阿爾弗雷德·威爾遜-斯賓塞， 礦物物理學(xué)研究員，利茲大學(xué)

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