物理学家正在揭开地球内核的巨大奥秘

在我们脚下的深处，超过 5,100 公里的惊人深度，隐藏着地球的内核——一个由铁和镍组成的实心球，在塑造我们在表面体验的条件方面发挥着至关重要的作用。事实上，没有它，我们甚至不太可能存在。

但是，尽管它很重要，但它是如何形成和发展的还是有点令人费解。我们甚至不知道它有多老了。幸运的是，矿物物理学让我们离解开这个谜团更近了一步。

内核负责地球的磁场，它就像一个盾牌，保护我们免受有害的太阳辐射。这个磁场对于创造数十亿年前让生命繁荣的条件可能很重要。

地球的内核曾经是液态的，但随着时间的推移已经变成了固体。随着地球逐渐冷却，内核在周围富含铁的液体“冻结”时向外膨胀。也就是说，它仍然非常热，至少 5,000 开尔文 （K） （4726.85°C）.

这种冷冻过程会释放出氧和碳等元素，这些元素与热固体不相容。它在外芯底部产生一种热的、有浮力的液体。

液体上升到液体外核中并与之混合，从而产生电流（通过“发电机作用”），从而产生我们的磁场。

有没有想过是什么让北极光在天空中翩翩起舞？你可以感谢 inner core。

隐秘结晶

为了了解地球磁场在其历史上是如何演变的，地球物理学家使用模拟地核和地幔热状态的模型。

这些模型帮助我们了解热量在地球内部是如何分布和传递的。他们假设固体内核在液体冷却到熔点时首次出现，并以此为时间当它开始结冰时.问题是，这并不能准确反映冻结过程.

因此，科学家们探索了“过冷”的过程。过冷是指液体冷却到其冰点以下而不变成固体。这种情况发生在大气中的水，有时在形成冰雹之前达到 -30°C，而且地核中也有铁。

计算表明，实际上需要高达 1,000K 的过冷度冷冻纯铁在地核。鉴于核心的电导率意味着它以每十亿年 100-200K 的速度冷却，这带来了重大挑战。

这种过冷水平意味着核心在其整个历史（1000 到 5 亿年）中都需要低于其熔点，这带来了额外的复杂性。

由于我们无法物理地进入核心——人类只钻进了地球 12 公里——我们几乎完全依赖地震学了解我们星球的内部。

内核于 1936 年被发现，其大小（约占地球半径的 20%）是地球深处受限制最严格的特性之一。我们使用这些信息来估计堆芯的温度，假设固体和液体之间的边界代表熔点和堆芯温度的交点。

这个假设还有助于我们估计在内核开始从内核和外核组合形成之前可能发生的最大过冷程度。

如果内核最近冻结，则内核-外内核边界的当前热状态表明，当内核刚开始冻结时，组合内核可能低于其熔点多少。这表明，核心最多可能是过冷约 400K.

这至少是地震学允许的两倍。如果内核在冻结前过冷了 1,000K，则内核应该比观察到的要大得多。或者，如果 1,000K 是冻结所必需的并且从未达到，则内核根本不应该存在。

显然，这两种情况都不准确，那么有什么解释呢？

矿物物理学家已经测试了纯铁和其他混合物，以确定需要多少过冷才能启动内核的形成。虽然这些研究尚未提供明确的答案，但已经取得了有希望的进展。

例如，我们了解到，意想不到的晶体结构和碳的存在可能会影响过冷。这些发现表明，以前未考虑的某些化学或结构可能不需要如此大的过冷度。

如果核心可以在小于 400K 的过冷度下冻结，那么它就可以解释我们今天看到的内核的存在。

不了解内核形成的影响是深远的。以前对内核年龄的估计范围从500 到 10 亿年。但这些并没有解释过冷问题。即使是 100K 的适度过冷也可能意味着内核比以前认为的年轻几亿年。

了解古地磁岩石记录（地球磁场的档案）中内核形成的特征，对于那些研究太阳辐射对大规模灭绝影响的人来说至关重要。

在我们更好地了解磁场的历史之前，我们无法完全确定它在宜居条件和生命的出现中的作用。

阿尔弗雷德·威尔逊-斯宾塞， 矿物物理学研究员利兹大学

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