北京大學地球與空間科學學院楊翼博士與宋曉東教授最近在《自然·地球科學》國際期刊上發(fā)表論文，研究發(fā)現(xiàn)在過去十年左右的時間里，地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)幾乎停止了，相對于地幔，內(nèi)核開始緩慢地反向旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)的變化也發(fā)生在20 世紀70年代早期，推測地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)可能存在七十年左右的震蕩周期。
地球內(nèi)核是什么？
地球通常劃分為外部圈層和內(nèi)部圈層兩大部分。外部圈層是我們所處的地面及以上部分，包括大氣圈、水圈、生物圈，構成了我們生活的環(huán)境；內(nèi)部圈層可以進一步劃分為地殼、地幔和地核，其中地核由固態(tài)內(nèi)核及其外層的液態(tài)外核共同組成。
內(nèi)核由什么物質(zhì)構成一直以來頗具爭議，許多學者研究認為在大約45億年前原生地球逐漸形成，由于鐵和鎳的質(zhì)量較重，大部分沉入到了地球的內(nèi)部，形成了固態(tài)的地球內(nèi)核，即內(nèi)核主要包含鐵和鎳。
地球內(nèi)核為什么旋轉(zhuǎn)更快？
傳統(tǒng)認識地球是一個整體，認為內(nèi)核旋轉(zhuǎn)與地球其它圈層旋轉(zhuǎn)保持同步，也就是說二者相對靜止。1996年，美國哥倫比亞大學的保爾·理查茲博士和宋曉東博士利用地震學的方法研究發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核在快速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的速度大于地球其他部分。這項發(fā)現(xiàn)成為了探索地球內(nèi)部結(jié)構新的開端，吸引著無數(shù)學者研究，隨著科學家們的不斷研究，我們對地球的深部結(jié)構與內(nèi)核有了更多的認識，逐漸改變了我們以往的固有看法。
地球內(nèi)核處于距地表5100千米-6371千米的地球深部，溫度高達6000℃以上，我們無法用現(xiàn)有的技術手段直接深入地球內(nèi)部進行測量。利用地震波研究地球內(nèi)部結(jié)構與狀態(tài)，類似于“給地球做CT”，對數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以得出地球深部的動態(tài)變化。宋曉東等利用幾十年期間所發(fā)生的五十余次地震數(shù)據(jù)及人為產(chǎn)生的地震波數(shù)據(jù)進行分析，計算走時，得出在1996年之前的三十多年里，通過地球內(nèi)核的地震波走時發(fā)生了微小但系統(tǒng)的變化，這種變化就是由地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)速率與地殼地幔不同導致的。
地球內(nèi)核快速自轉(zhuǎn)的原因，有觀點認為是由于地球自轉(zhuǎn)過程中的慣性力——科里奧利力（Coriolis force）。這是一種由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力，它會影響物體的運動方向，簡單來說就是讓原本直線運動的物體的運動軌跡發(fā)生彎曲。
科里奧利力的作用效果示意（圖片來源：Wikipedia）
在地球自傳過程中，由于科里奧利力的作用，使地球淺層的自轉(zhuǎn)速度小于深層的自轉(zhuǎn)速度，這也就是地球的差異旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。也有觀點認為，地核產(chǎn)生的巨大磁場所產(chǎn)生的力矩導致地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)速度不同。內(nèi)核與地殼地幔之間隔著液態(tài)的外核，外核的低摩擦力利于內(nèi)核更快速的旋轉(zhuǎn)。
宋曉東教授團隊發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)自約2009年起就幾乎停止并且開始逐漸反向旋轉(zhuǎn)；從20世紀70年代早期到約2009年之間，地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)為正向，內(nèi)核旋轉(zhuǎn)速度大于地球自轉(zhuǎn)速度；自約2009年起至今，緩慢反向旋轉(zhuǎn)，差速旋轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪?。所推測的內(nèi)核旋轉(zhuǎn)存在六七十年的震蕩周期是否準確還需要未來更多的研究和探索。
研究內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)有什么意義？
研究地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)，有助于我們理解地球深部圈層的運行機制，了解地球內(nèi)部構造運動規(guī)律。如在目前的一些理論中，地球磁場的產(chǎn)生就是由于地球液態(tài)外核的運動導致，地球外核是液態(tài)導電的，所以當它們呈現(xiàn)渦流時就會產(chǎn)生磁性——我們?nèi)巳耸煜さ挠沂致菪▌t就是描述電生磁現(xiàn)象。而地球的內(nèi)核與外核緊密聯(lián)系，也可能對地球磁場的產(chǎn)生和磁場反向都有決定性影響。
地球內(nèi)外核相互作用導致地磁場產(chǎn)生的示意圖（圖片來源：Wikipedia）
因此理解地核運動對地球科學等領域許多研究命題有重要的意義，為傳統(tǒng)的地球深層內(nèi)部結(jié)構的地震學研究增加了新的時間維度。差速旋轉(zhuǎn)伴隨著從原生地球形成以來的演化歷史，對地球動力學的研究也有重要影響。
雖然地球內(nèi)核的研究在科研領域是一項非常巨大的突破，但是正如宋曉東教授所說，它距離我們的日常生活還很遠?！皩τ谥R的追求是具有高等智慧的人類的基本需求。對這顆我們生于斯、長于斯的星球進行了解和探究是我們需要做的一件基本的事，也是探索類地星球的基礎。”地球內(nèi)核對我們來說是遙遠而神秘的，它所產(chǎn)生的變化如何作用于我們的日常生活還沒有一個明確的結(jié)論，這也是無數(shù)科研工作者不斷探索的方向。
出品：科普中國
作者：張文華
監(jiān)制：中國科普博覽
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