在計算機模擬中，磁力線（第一排）圍繞著地球的液態(tài)外核扭轉和卷曲。這種磁性源于旋轉的或者說對流的液態(tài)鐵（第二排）。這個模型模擬了極性反轉的過程，在這個過程中地球的南北磁極發(fā)生了對調。這種反轉是強大的磁場發(fā)生器的標志，并且在地球上百萬年的歷史上曾經(jīng)發(fā)生過。
地球的深處是一個地獄般的地方。在地面以下5000多公里的地方，熾熱的富鐵核心的溫度相當于太陽表面的溫度，并且互相擠壓的壓力相當于20頭藍鯨站在一個郵戳上的重量。
這種極端環(huán)境有助于地球磁場的產生，這種遍布全球的力量使得地球表面存在生命得以可能。當太陽偶爾向地球噴射出帶電粒子時，地球的磁場會將這種傳入的轟炸反射出去。沒有這種磁性的保護，太陽風暴將干掉地球表面上任何毫無防備的生命形態(tài)，并且逐漸地剝去地球的大氣層。
數(shù)十年來，科學家們在對地球磁性的理解方面不斷地發(fā)生爭論并進行微調。科學家們達成的基本共識是：流經(jīng)液態(tài)外核的熱量有助于讓熔鐵四處飛濺，從而產生磁場。然而，在過去幾年里，對地球磁性保護的新調查使得任何意義上的共識開始泛起漣漪。2012年，科學家們認為位于地球核心的鐵所傳導的熱量比先前認為的要更容易。那將意味著如果它有磁場的話，地球外核的混合物較少，以及一個只有微弱磁場的年輕的地球，然而年代久遠的巖石揭示了數(shù)百萬年前對地球進行保護的早期的、強大的磁場的記錄。
粘稠的中心
地殼：0-100公里厚/ 地幔：2900公里厚
外核：2200公里厚/ 內核(半徑)：1250公里
在地球的外殼下面是半熔狀態(tài)的地幔，它的體積占到地球的84%。在地幔下面是富鐵核心。一旦全部熔化成液體，這個富鐵核心就徹底地被凍結，從而產生一個不斷生長的固體內核。來源：美國地質勘探局
今年1月份，超級計算機為這個困境提供了一種可能的解決路徑。對電子在極端溫度下如何圍繞著鐵原子彈跳的模擬以及在地球核心發(fā)現(xiàn)的壓力都表明鐵的熱電導率可能真的足夠低，以至于可以讓地球在“青年期”就有強大的磁場。在接下來的幾周時間里，研究人員認為這個謎題能夠得以解決。然而，最近幾個月，利用鉆石和激光來重造地核“緊張態(tài)勢”的實際試驗對這個困境如此輕易地得到解決提出了質疑。
雖然對電導率上升和下降的預測似乎是科學家們在繞著圈轉，但是它表明解決方法正在逼近，華盛頓特區(qū)卡內基科學研究所的地球物理學家彼得·德里斯科爾認為：“科學共同體從來沒有向一個解決方案收斂，除非人們開始從兩個方面開始推進。”
地獄之冰
地球的內核是一個充滿了由宇宙碰撞而遺留的能量所填滿的巨型熱動力發(fā)動機，大約45億年前形成月球的宇宙碰撞。隨著地球逐漸冷卻下來，這股原始的熱能在包裹著地球固體內核的液體外層流動。一些熱能通過傳導在原子間自由地轉移。雖然熱能流經(jīng)了某些物質，但是這些物質仍然保持靜止不動，就好像是爐子上加熱的鑄鐵鍋。當流經(jīng)某種物質的熱量超過了該物質通過傳導可以掌控的程度時，熾熱的小塊就會飛濺起來，就好像熱氣球中的加熱的空氣一樣，從而產生了對流。在對流中，物質本身發(fā)生了移動。
這種對流在外層內核中圍繞著熔鐵旋轉，晃動的液體充當了發(fā)電機的作用。在現(xiàn)存的磁場中，發(fā)電機的作用是把電流導入到流動的熔鐵中。這個運動產生了它自身的磁性，這加強并維持了起初的磁場。如果更多的熱量是通過傳導而非鐵攪拌的對流而流動的，那么這個發(fā)電機就會變弱，并且磁場就會消逝。
5年前，科學家們認為地球外核的熔鐵是通過對流的形式傳輸其絕大部分熱能的，在2012年所有的事情都發(fā)生了變化。一些研究團隊獨立地提出了地球內核更多的熱能是通過傳導的形式實現(xiàn)運動的，其速率大約是150~250瓦特/（米*開爾文）。（電導率代表著在1開爾文溫度的1米立方體的不同兩端有多少瓦特的熱能可以穿過。）這個電導率大約是科學家們先前采用的數(shù)值——46~63瓦特/（米*開爾文）——的三倍。具有如此高的電導率，地核中的熱對流會很弱，磁場就會麻煩纏身了。
“那只是一個危言聳聽的聲明，”德里斯科爾說道，“在一夜之間看到三個因素中的一個激增是罕見的?！眴为氂蔁釋α魉寗訌姶蟠艌鐾蝗婚g變得不可能了。
熱起來
熱量通過傳導和對流兩種形式在地球的液態(tài)外核中穿行。在傳導中（上圖），熱量（紅色的）在靜止的原子之間快速移動。在對流中（下圖），熾熱的小塊像是巖漿燈中的熔珠一樣飛濺，而冷卻的小塊（藍色的）則下墜。這種運動讓熔鐵在液態(tài)外核中翻騰，并且有助于產生地球的磁場。
大多數(shù)現(xiàn)代生命形式是幸運的，熱對流并不是促使發(fā)電機運轉起來的唯一方式。隨著地球冷卻下來，地核中的熔鐵開始由內而外凝固。目前，固態(tài)內核增長的速度是每秒多達6000公噸。與凝鐵混合在一起的較輕的元素，比如氧和硫，被拋入外核。被驅逐出去的元素的浮力促進了外核的翻騰，并且保持發(fā)電機運行。到目前為止，只有4%的地核處于冷卻狀態(tài)，從而留下了大量的能量以維持磁場持續(xù)地運轉數(shù)百萬年。
雖然磁場的未來還會正常運轉，但是它的過去仍然帶來了一個問題。電導率估計表明內核只是從10億年前才開始冷卻。在那之前，地核中緩慢的熱對流只產生了很微弱的磁場。
然而，巖石記錄顯示的是另外一番圖景。今年7月，位于紐約的羅切斯特大學的地球物理學家約翰﹒塔都諾和他的同事在《科學》期刊中發(fā)表了一篇有關地球磁場最古老記錄的論文。通過對埋藏在澳大利亞古代晶體中的磁性雜質進行測量，研究人員們表明一個相對強大的磁場在大約42億到33億年之前包圍著地球，那時磁場的強度大約是如今磁場強度的12%到100%之間。
自從地球的早期開始，其磁場的歷史就同樣令人困惑。地球物理學家們認為當較輕的元素離開內核并以一種新的方式攪動發(fā)電機時，磁場強度會突然地增強?！澳阌辛诉@個新的電源，”約翰霍普金斯大學的地球物理學家彼得﹒奧爾森說道。“你把發(fā)電機聯(lián)上了一個240伏的插座，而不是120伏的——你應該可以看到這個效果?！钡撬f，在數(shù)據(jù)中不存在這樣的跳躍。在《科學》期刊2013年的一篇論文中，奧爾森給這個發(fā)電機困境起了一個名字：新的內核困境。有關地球磁場的主流理論和歷史只是無法匹配，他寫道。
然而，催生了這個困境的2012年的文章并不是地球內核電導率的蓋棺定論。地球核心的溫度可以達到6000攝氏度，其壓力也超過海平面大氣壓力的300萬倍。沒有真正的生命可以開展“地心歷險”，沒有辦法獲得直接的測量。當前科學家們無法在實驗室里對這種極端情況做精確的電導率測量。相反，實驗通常會在較低的溫度下開展，即低于1700攝氏度。然后根據(jù)這些較溫和的情況中獲得的實驗結果對內核中發(fā)現(xiàn)的情況進行推算。
這種推算可能會有些模棱兩可，因為它假定熔鐵在實驗和實際的地核情況中不會明顯地改變其行為。但這只是可能。今年的早些時候，研究人員宣布說較高的電導率估計可能忽視了相對溫和的實驗條件和地核中惡劣環(huán)境之間差距的某些東西——某些可能會解決這個新的困境的東西。
電子彈球
要理解鐵的電導率，需要有關電子如何圍繞著鐵原子高速運轉的高深知識。在像鐵這樣的金屬中，自由移動的電子輸送著電荷和熱能。鐵如何輕松地導電和導熱取決于這些電子是否可以輕易地移動。
在地表層面上發(fā)現(xiàn)的溫度和壓力方面，大多數(shù)移動電子的電阻被認為是來自于鐵原子本身。電子與鐵原子與振動的鐵原子發(fā)生碰撞，從而限制了電和熱的流動。然而，地核中鐵的運行則完全不同。地核中的壓力使得鐵的密度達到其常規(guī)密度的1.6倍還多，豐富的熱量給電子提供了很大的速度提升。
強大的保護器
今年7月，對古代巖石的分析表明在至少42億年間地球都有強大的磁場保護著。這種新的磁場測量方法（藍色的菱形）和其他一系列研究一起表明地球的磁場在整個地球的歷史中一直都很強大遮光代表著如今地球磁場強度的范圍。來源：J.塔都諾/羅切斯特大學
不是在實驗室里嘗試復制地核的情況，卡內基科學研究所的地球物理學家羅納德·科恩、張鵬與其他同事一起制造了一個地核中鐵的詳細數(shù)字模型。雖然以往的版本采用了電子如何相互作用的一種簡化視圖，科恩的團隊精確地追蹤到了每個電子個體的活動。
“我們使出了殺手锏，并且計算每種可能的互動，”科恩說道，“我們做的運算類型和大型強子對撞機團隊預測高能物理屬性的類型是一樣的?！?/p>
這個團隊的模擬首先從與地核溫度和壓力相匹配的一束數(shù)百個鐵原子入手。在對每一個粒子在時間上稍微向前推進之前，計算機程序快速且大量地處理每個鐵原子和電子之間的量子力作用。這個過程是一直重復進行，直到這些快照形成了一個電子如何四處運動的影像。數(shù)量龐大的模擬粒子和粒子之間復雜的交互運動在計算上是相當耗時的。即使是在超級計算機的幫助下，這個模擬也不能真正地計算出確切的電導率。相反，科研人員一遍遍地重復這個實驗，直到計算機程序能夠在不確定性足夠低的情況下估計出鐵的電導率。
當實驗溫度達到了早期實驗室開展的實驗溫度時，科恩的模擬擬合了先前有關鐵的電導率的較高預測。然而，在大約1700攝氏度的時候，一種被忽視的交互作用成了關注的焦點。除了電子散射在振動的鐵原子之外，充滿熱能的電子也常常交叉且開始彼此碰撞。在地核條件中，這個電子與電子的散射變得和電子—鐵散射一樣重要。這種額外情況讓電阻率基本翻了一倍，這將導熱系數(shù)降低了大約105瓦/（米*開爾文），大約是2012年預測的一半，這個研究結果發(fā)表在1月29日的《自然》上。
“地球物理學家可以利用我們的數(shù)據(jù)，并且開展地球物理研究工作，”科恩說道,“他們可以按照他們希望的方式來解釋地球發(fā)電機的歷史，并且他們也已經(jīng)這樣做了很多年了?！?/p>
這個新的電導率估計確實讓發(fā)電機運轉起來了，奧爾森及其同事在《地球和行星物理》6月刊中報告了這一情況。把這個新的數(shù)字接入到流經(jīng)地球內部熱量的模擬中產生了一個在地球內核形成之前的對流驅動的發(fā)電機。在這種情況下，地球的磁場隨著內核的形成而不斷加強。然而，由于熱對流的增強，這種磁性的升高將會更小，并且會與磁場強度的自然變化融為一體，位于霍頓市的密歇根理工大學的地球物理學家阿萊克塞·斯米爾諾夫說道。
很多地球物理學家對這個更低熱導系數(shù)將有助于破解近年來出現(xiàn)的一些棘手問題持謹慎的樂觀態(tài)度。然而，這個新的電導率仍然只是理論上的。它需要實驗結果來驗證更高溫度中的電子與電子的散射。但是到目前為止，這做起來很困難。
面臨壓力
重造地核的“緊張態(tài)勢”需要策略和靈感迸發(fā)。在東京理工大學的實驗室中，高壓礦物物理學家廣瀨靖（Kei Hirose）和他的同事利用鉆石虎鉗把鐵壓成了一個純鐵盤。鐵的樣本非常微小——直徑只有大約20微米，厚度有10微米，相當于一張復印紙厚度的十分之一。這樣小的尺寸使得研究人員均勻地對樣本進行壓縮和加熱，從而產生了類似于地核極端情況的狀態(tài)。
鐵原子在兩個0.2克拉的鉆石頂端游走，這在實驗期間要求的極端力量下不太可能斷裂或扭曲。廣瀨把這個鉆石的外形比作富士山，該鉆石的每個錐峰的形狀都和富士山的每個坦峰類似。研究人員在大約30分鐘內將兩個鉆石擠壓到了一起，直到鐵原子承受著地核一樣的壓力。隨后，一個精心瞄準的紅外激光把樣本加熱到幾千度，最后該樣本已經(jīng)準備好接受測試了。
物理學家們通過把鐵原子樣本擠壓到兩顆寶石級鉆石之間的方式來重建地球內部的狀況。
因為鐵中的電子運動時會攜帶電荷和熱量，廣瀨和他的同事就可以測量電導率，并從電導率推測出導熱系數(shù)。研究人員把電極加載到鐵原子上，并讓電流從樣本中通過，電極通常是由黃金或者鉑金制作的。通過樣本的電壓損耗可以讓研究人員知道鐵原子對電子流的阻力有多強。
近日，廣瀨的團隊在大約1700攝氏度的閥值開展了實驗，在這個閥值上，科恩的團隊預測說電子的碰撞會變得重要，但是廣瀨團隊的實驗沒有得到電子與電子散射的證據(jù)。實際上，這個實驗讓困境更加惡化。這項工作表明隨著溫度的飆升，鐵原子可能會變得更具導電性，因而不太可能發(fā)生以前所認為的對流。
2013年，廣瀨和他的同事們在《地球和行星物理》期刊上對這個趨勢進行了預測，他們認為鐵原子最終到達了一個點，在這個點上一個電子在撞到另外一個鐵原子之前經(jīng)過的平均距離相當于兩個鐵原子之間的距離。他們認為，由于彼此碰撞的剩余障礙很少，在這個點上，對電子運動的阻力會趨于平穩(wěn)，即使是溫度持續(xù)升高的話。
“好吧，現(xiàn)在看起來似乎我們又回到了這個困境?！痹讷@悉廣瀨團隊新發(fā)現(xiàn)之后，斯米爾諾夫表示。
德里斯科爾在美國地球物理聯(lián)合與其他組織于今年5月共同舉辦的一次會上說道，“雖然有這么高的導熱系數(shù)，這個新的地核困境仍然可能得以解決。足夠多的熱量流經(jīng)地球內部可以產生對流，即使當電導率很高的時候。”
他認為，額外的熱量可能來自于放射性元素的衰變。在今年4月份，科研人員發(fā)表在《自然》上的一篇論文認為地核可能含有大量放射性的鈾和釷。德里斯科爾通過計算認為在現(xiàn)代地核中即使是數(shù)量相對較少的放射性也可能促進了古代地球磁場的大量提升。他解釋說，如果只是很少數(shù)量的放射性加熱著如今的地核，那也將意味著億萬年前大量的放射性原子曾經(jīng)促進了熱流動。
科恩仍然堅信電子與電子的散射導致了較低的地核電導率?！拔覀兓剡^頭去復查了我們研究結果的魯棒性，它看起來堅不可摧，”科恩說道。他指出復制地核狀況的實驗是過于挑剔的。有可能廣瀨及其同事真的達到了比他們發(fā)表的論文中提到的更低溫度，其他研究團隊即將開展的實驗仍然在這兩個方式之間搖擺不定。
現(xiàn)在，圍繞著地核和地球磁場的謎題仍然持續(xù)存在，科學家們也在爭論在地表以下數(shù)千公里的地方到底在發(fā)生著什么?！拔冶ＷC在接下來的幾年里會有多次循環(huán)往復，”奧爾森說道?！暗@是一個好問題。正是這種事情才讓人們抬起屁股，并鼓勵他們去做更多的工作。”
本文發(fā)表于2015年9月19日的《科學新聞》
作者：THOMAS
譯者：王大鵬
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