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破解地球內核的奧秘:深入探尋地球深處的「冰凍鐵球」

地球內核,距地表超過5100公里深處,這個由鐵和鎳組成的固體球體,對地球表面環境的塑造至關重要,甚至我們的存在都可能依賴於它。然而,儘管內核如此重要,它的形成和發展仍然是一個未解之謎。

地球的內核不僅保護著我們免受太陽有害輻射的影響,它也是產生地球磁場的關鍵。這個磁場像一個隱形盾牌,擋住了來自太陽的有害輻射,可能也是數十億年前生命能夠在地球上繁衍的原因。

最初,地球的內核是液態的,但隨著地球逐漸冷卻,內核開始固化,外層的富鐵液體「冰凍」成固體。這個過程釋放出氧和碳等元素,這些元素與固體的熱鐵不相容,於是形成了在外核底部浮力較大的熱液體。這些液體混合並上升,最終在地球外核內形成電流,這就是「發電機效應」,從而產生我們熟悉的地磁場。

為了更好地理解地球磁場的演化,科學家們運用了模擬核心和地幔熱狀態的模型。然而,這些模型常常假設內核是在液態鐵冷卻到熔點時開始固化的,但這並不完全反映實際的「冰凍」過程。

「超冷」是地核固化的一個可能關鍵因素,這意味著液態鐵在冷卻到低於其凝固點時並未立即轉變為固態。這種現象類似於大氣中的水分,在結成冰雹前,有時可以達到-30°C。根據計算,鐵在地核中的固化可能需要超過1000K(約727°C)的超冷,這給研究帶來了極大挑戰。這意味著地核可能在其歷史大部分時間內,溫度都低於其熔點。

「超冷」:液態鐵在冷卻到低於其凝固點並未立即轉變為固態

這張圖片顯示地球內核(淺黃色)和外核的液態區域,並展示了黑色的磁場線。內核是固態的,外核則是液態的,這些磁場線是地球磁場的來源。(圖/Alfred Wilson-Spencer, CC BY-SA)

由於人類目前無法物理進入地核,地質學家主要依賴地震學來了解地球深處的構造。自1936年發現內核以來,科學家們估計它約占地球半徑的20%。通過這些數據,研究人員推測內核和外核之間的溫度邊界,並進一步估算出超冷可能發生的程度。

最新的研究表明,可能並不需要如此高的超冷來形成內核。礦物物理學家們測試了純鐵和其他混合物,發現某些化學成分或結構可能減少超冷需求,甚至可能使內核在低於400K的超冷情況下形成。這解釋了目前觀察到的內核狀況。

這一發現對於理解地球的演化歷史至關重要。內核的年齡估計範圍約在5億至10億年之間,但超冷問題可能意味著內核比預想的要年輕幾百萬年。弄清楚地球磁場的形成對於研究太陽輻射和大規模滅絕之間的關聯,甚至解開生命起源的謎團,都是至關重要的下一步。

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首圖來源:Andrzej Wojcicki/Science Photo Library/Getty Images cc By4.0

圖片來源:Alfred Wilson-Spencer, CC BY-SA  cc By4.0 

參考出處:

1.The Earth’s inner core is a total mystery – here’s how we’re starting to solve it

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