在地核内发现神秘的“甜甜圈”结构

在我们脚下约 2,890 公里处，有一个巨大的液态金属球：我们星球的核心。像我这样的科学家使用地震产生的地震波作为一种超声波来“看到”核心的形状和结构。

使用一种研究这些波的新方法，我的同事马小龙和我有一个令人惊讶的发现：赤道周围有一个大的甜甜圈形核心区域，厚几百公里，地震波的传播速度比核心的其他部分慢约 2%。

我们认为这个区域含有更多较轻的元素，如硅和氧，并且可能在流经核心产生地球磁场的大量液态金属流中发挥关键作用。我们的结果是今天发表在 Science Advances 上.

“尾声相关波场”

大多数关于地震产生的地震波的研究都着眼于地震后一小时左右在世界各地传播的巨大初始波前。

我们意识到，通过观察这些 waves 中较晚、较微弱的部分，称为 coda – 将一段音乐带入结尾的部分，我们可以学到一些新的东西。特别是，我们研究了不同地震探测器记录的尾声在开始几个小时后的相似程度。

用数学术语来说，这种相似性是通过一种称为相关性的东西来衡量的。总之，我们将地震波后期的这些相似性称为“尾声相关波场”。

通过观察尾声相关波场，我们检测到了来自多个混响波的微小信号，否则我们不会看到。通过了解这些混响波的路径并将它们与尾声相关波场中的信号进行匹配，我们计算出它们穿过地球需要多长时间。

然后，我们将我们在靠近两极的地震探测器中看到的结果与靠近赤道的结果进行了比较。总体而言，在靠近两极的地方探测到的波比在赤道附近探测到的波传播得更快。

我们尝试了许多计算机模型和模拟，以了解核心中的哪些条件可以产生这些结果。最后，我们发现在赤道周围的外核中一定有一个圆环——一个甜甜圈状区域，那里的波传播得更慢。

地震学家以前从未探测到过这个区域。然而，使用尾声相关波场可以让我们更详细、更均匀地“看到”外核。

以前的研究得出结论，波浪移动更慢到处都是外芯的“天花板”。然而，我们在这项研究中表明，低速区域仅在赤道附近。

外核和地发电机

地球外核的半径约为 3,480 公里，比地球略大火星.它主要由铁和镍组成，并含有一些较轻的元素，如硅、氧、硫、氢和碳。

外芯的底部比顶部更热，温差使液态金属像炉子上沸腾的锅中的水一样移动。这个过程称为热对流，我们认为不断的运动应该意味着外核中的所有材料都很好地混合和均匀。

但是，如果外核的任何地方都充满了相同的物质，那么地震波也应该以大致相同的速度传播。那么，为什么这些波在我们发现的甜甜圈形区域会减慢呢？

我们认为这个区域的轻元素浓度一定更高。它们可能会从地球的固体内核释放到外核中，在那里它们的浮力会产生更多的对流。

为什么较轻的元素在赤道甜甜圈地区积累得更多？科学家们认为，如果更多的热量从外核传递到该区域上方的岩石地幔，就可以解释这一点。

在外核中还有另一个行星尺度的过程在起作用。地球的自转和小的固体内核使外核的液体组织成南北方向的长长的垂直漩涡，就像巨大的水龙卷一样。

液态金属在这些漩涡中的湍流运动产生了负责产生和维持地球磁场的“地发电机”。这个磁场保护地球免受有害的太阳风和辐射的影响，使地表上的生命成为可能。

更详细地了解外核的组成——包括新发现的较轻元素的甜甜圈——将有助于我们更好地了解地球的磁场。特别是，磁场如何随时间改变其强度和方向对于地球上的生命以及行星和系外行星的潜在宜居性至关重要。

Hrvoje Tkalčić教授、地球物理学系主任、Warramunga Array 主任、澳大利亚国立大学

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