地核

地核

地核(Core):是地球的核心部分,主要由鐵、鎳元素組成,半徑為3480千米。地核又分為外地核和內地核兩部分。地核佔地球總質量的16%,地幔佔83%,而與人們關系最密切的地殼,僅佔1%而已。

  • 中文名稱
    地核
  • 外文名稱
    Core
  • 元素組成
    鐵、鎳
  • 半徑
    3480千米
  • 物質密度
    每立方釐米10.7克
  • 溫度
    4000~6000℃
  • 質量
    1.88e21噸

大核反應堆

美國地球物理學家瑪文·亨頓(J.MarvinHerndon)在他的理論中提出,地球是一個天然的巨大核電站,人類則生活在它厚厚的地殼上,而地球表面4000英裏深的地方,一顆直徑達5英裏的由鈾構成的球核正在不知疲倦地燃燒著、攪動著、反應著,並因此產生了地球磁場以及為火山和大陸板塊運動提供能量的地熱。

亨頓博士的理論大膽地挑戰了自1940年以來在地球物理學領域一直處于支配地位的理論。傳統的理論認為,地球的核心是由鐵和鎳構成的晶體,在向周圍的液態外核放熱的過程中逐漸冷卻和膨脹。在這種理論模型中,放射能隻是附屬性的熱量來源,其產生于廣泛分散的同位素衰變,而非集中的核反應

在上世紀50年代,就曾經有科學家提出假設,認為行星表面甚至內部都可能存在自然的核反應,但這種理論的第一個物理證據出現在上世紀70年代。當時法國科學家在非洲加彭一處鈾礦點發現了發生于地表的天然連鎖核反應,這一核反應已經持續了數十萬年,並在這一漫長的過程中消耗了數噸重的鈾。

地磁逆轉之謎

亨頓博士研究了如果行星內部存在核反應可能產生的效應。他認為,大約26億年前,大量在重力作用下集中在地核,並且具有與其化學狀態無關的自足的核裂變能力。地球內部的核反應活動產生了電流,並由此形成了地球磁場。這種核反應是間歇的,可能導致地球磁場在短期內迅速變化,甚至發生地磁逆轉。而傳統的地球物理學理論認為,地球核心熱能釋放導致液態外核與地幔底部出現熱對流,從而形成地磁場,但這一理論無法解釋地球曾發生的地磁逆轉。

結構

地核又分為外地核和內地核兩部分。外地核的物質為液態,內地核科學家認為是固態結構。

外地核深2900km至5000km,內地核深5100km至6371km.

地核地核

地核是地球的核心。從下地幔的底部一直延伸到地球核心部位,距離約為3473千米。據科學觀測分析,地核分為外地核過渡層內地核三個層次。外地核的厚度為1742千米,平均密度約10.5克/立方釐米,物質呈液態。過渡層的厚度隻有515千米,物質處于由液態向固態過渡狀態。內地核厚度1 216千米,平均密度增至12.9克/立方釐米,主要成分是以鐵、鎳為主的重金屬,所以又稱鐵鎳核。

地核的總質量為1.88e噸,佔整個地球質量的31.5%,體積佔整個地球的16.2% 。地核的體積比太陽系中的火星還要大。由于地核處于地球的最深部位,受到的壓力比地殼地幔部分要大得多。

在地核內部這種高溫、高壓和高密度的情況下,我們平常所說的"固態"或"液態"概念,已經不適用了。因為地核內的物質既具有鋼鐵那樣的"剛性",又具有像白蠟、瀝青那樣的"柔性"(可塑性)。這種物質不僅比鋼鐵還堅硬十幾倍,而且還能慢慢變形而不會斷裂。

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地球圈層名稱

深度

(公裏)

地    震

縱波速度

(公裏/秒)

地    震

橫波速度

(公裏/秒)

密度(克/立方釐米)

物 質

狀 態

一級

分層

二級

分層

傳統

分層

地   殼

地  殼

0—33

5.6—7.0

3.4—4.2

2.6—2.9

固態物質

外過渡層

(上)

上地幔

33—980

8.1—10.1

4.4—5.4

3.2—3.6

部    分

熔融物質

外過渡層

(下)

下地幔

980—2900

12.8—13.5

6.9—7.2

5.1—5.6

液態—固態  物 質

液 態 層

外地核

2900—4700

8.0—8.2

不能通過

10.0—11.4

液態物質

內    過

度    層

過度層

4700—5100

9.5—10.3

12.3

液態—固態  物 質

地    核

內地核

5100—6371

10.9—11.2

12.5

固態物質

地球內部情況

地核內部這些特殊情況,即使在實驗室裏也很難模擬,所以人們對它了解得還很少。但有一點科學家是深信不疑的:地球內部是一個極不平靜的世界,地球內部的各種物質始終處于不停息的運動之中。有的科學家認為,地球內部各層次的物質不僅有水準方向的局部流動,而且還有上下之間的對流運動,隻不過這種對流的速度很小,每年僅移動1 釐米左右。有的科學家還推測,地核內部的物質可能受到太陽和月亮的引力而發生有節奏的震動。

地球內部構造地球內部構造

質量構成

地核(Core):是地球的核心部分,主要由鐵、鎳元素組成,半徑為3480千米。地核又分為外地核內地核兩部分。外地核的物質為液態。外地核深2900km至5000km,內地核深5100km至6371km。

地核地核

從體積上看,地核佔地球整體積的16%,地幔佔83%,而與人們關系最密切的地殼,僅佔1%而已。地核(Core)位于地球的最內部。半徑約有3470 km,高密度,平均每立方釐米重12克。溫度非常高,約有4000~6000℃。它可再分為核心和外核。由地震波的傳送可知,外核是熔融的。從源自其他行星核心的鐵隕石來推測。

壓力

在外地核部分,壓力已達到136萬個大氣壓,到了核心部分便增加到360萬個大氣壓了。

這樣大的壓力,我們在地球表面是很難想象的。科學家作過一次試驗,在每平方釐米承受1 770噸壓力的情況下,最堅硬的金剛石會變得像黃油那樣柔軟。

溫度測算

溫度測算

2007年4月,據國外媒體報道,美國的科學家公開表示,他們2007年4月已經測出地核-地幔邊界的溫度大約為3700攝氏度,並估計地核內部溫度可能高達5000攝氏度,幾乎與太陽表面一樣熱(太陽表面的溫度約為5500攝氏度)。

在2007年3月30日出版的《科學》雜志上,美國麻省理工學院教授羅伯特-範德休斯特和他的科研小組公布了他們的最新研究成果。羅伯特-範德休斯特教授稱,他們已經測出了地核最上層的溫度,地核的溫度可以高達約3700攝氏度。

詳細介紹

羅伯特-範德休斯特在論文中表示,研究人員們通過對由地震引發的地震波進行即時監控,進而對中美洲下面的地域進行了詳細地檢測。這一新發現將幫助地質學家研究地熱是如何通過地球內部傳到地球表面的。地熱的傳播過程引發了地球一系列的地質活動,如地震、火山、地磁場等等。科學家們計算從地表散發到了大氣層的總熱量約為42萬億瓦,羅伯特-範德休斯特的試驗小組估計從地核傳出的熱量約佔其中的三分之一。

地核變化引起地球變化地核變化引起地球變化

羅伯特-範德休斯特稱,地震波可以穿過幾千英裏的地球內部。通過讀取地震波資料,可以有效測出地核與地幔之邊界的溫度。那麽,這一溫度到底是如何測出的呢?原來,地震波的速度顯示了它們所過之處的化學和物理屬性。研究小組將地震波資料與礦物質物理屬性的資料進行綜合,就算出了地幔、地核和兩者邊界上的溫度。具體來說,有一種叫做pervoskite的礦石可以在特定溫度和壓力條件下相變為post-pervoskite。

據羅伯特-範德休斯特的博士研究生王平透露,他通過運用普適RADON變換的方法變換地震資料得到地球內部相關反射介面。接下來假設這些介面正是由于這個相變造成。而這個介面的壓強是可以估計的,這樣也就可以估計相應的溫度。王平經過計算認為地幔邊界的溫度約為3700攝氏度。據此可以進一步估計地核的溫度可以高達5000攝氏度。結合其他研究的關于太平洋下面的區域的熱量損失估計,地球從地核到地幔的熱量輸出約為7.5至15萬億瓦,遠比以前的研究估計的要高。

根據地震波的傳播速度判斷,地核可分為核心和外核,外核為液態,核心為固態。地核主要成分為鐵、鎳等。很多專家認為,地球核心中的主要物質有可能是處于晶體狀態的鐵鎳合金。但也有科學家在實驗中發現,將鐵加熱至熔融狀態,並把熔融鐵所處環境的壓力逐漸升高至10萬個大氣壓時,熔融鐵的粘滯性會不斷增強,鐵中的晶格會逐漸受到破壞,其原子結構呈現出不規則排列狀態,即非晶體狀態。地球核心中的壓力最大可達約370萬個大氣壓,隨著壓力和溫度的增加,熔融鐵的粘滯性會繼續升高,其非晶體特徵會愈加明顯。因此,地球核心中的主要物質很有可能是粘滯性極高、處于非晶體狀態的、含鐵鎳成分的物質。

觀點

羅伯特-範德休斯特的觀點是:人們對地球內部其他一些特征確實有了一定的了解。數年來,科學家一直在研究地球內部由地震所引起的並以彎曲路徑傳播的震動波。通過研究這些波的路徑,可以確定在不同深度地球密度的增加情況。在人所能往下鑽探的範圍內,地球皆由岩石組成,其密度並未隨深度出現明顯的增加。明顯大于岩石密度的物質是金屬,而最常見的金屬是鐵。因此,地球有一個被岩石幔所圍的鐵核。越向地核深入,壓力會不斷增加,鐵的熔點也會不斷增高。然而,鐵的熔點似乎比溫度上升得要快。這樣,在地球最中心的75英裏範圍內,鐵核變為固態的核心。壓力已使鐵的熔點變得非常高,以至于不斷升高的溫度也不能熔化核心。

由于地核具備上述特征,所以科學家們在實驗室裏很難進行模擬,因此對它的了解也就很少。但有一點科學家是深信不疑的,那就是地球內部是一個溫度極高而且極不平靜的世界,地球內部的各種物質始終處于不停息的運動之中。

確定溫度

2013年5月,通過新實驗,科學家已經確定地核的溫度是6000攝氏度,比以前估計的5000攝氏度高近1000攝氏度,其炙熱程度可與太陽表面相媲美。

研究人員把鐵樣放在極端高壓環境下,利用X光探測鐵晶粒的行為,用來研究鐵晶粒是如何熔化和形成的。地球的核心是一個固體鐵球,體積與月球差不多,圍繞在它周圍的劇烈運動的外核主要由液態鐵鎳合金組成。90年代初進行的試驗測定了鐵的"熔解曲線",它們指出,地核的溫度是5000攝氏度。然而最新試驗的科研組利用位于歐洲同步輻射設備的世界最強X光源,再現了與地核承受的壓力相同的環境。為了做到這些,該科研組採用了名叫鑽石對頂砧(DAC)的裝置,即把一個微小樣本放置在兩塊精密加工合成鑽石的尖端之間。

直徑研究

2006年11月,紐約州立大學的文連星(音)宣布,地核的直徑正在不斷膨脹之中。根據他的計算結果,地核向位于非洲中部地區的地表擴展了0.98-1.75公裏。

地核地核

這一結論的主要依據是1993年和2003年發生在南桑維奇群島的兩次強烈地震。

根據設定在俄羅斯和吉爾吉斯境內的兩座地震台的測量,2003年地震所產生的地震波到達這兩地的時間比1993年時快了39-70微秒。這一現象表明,位于地震震中和兩座地震台直徑的地核直徑出現了局部擴展,也就是說,處于非洲中部地區下方的地核部分正在不斷"隆起"。科學家們認為,地核之所以會發生擴展是由于其內層發生凝固所致。

當然,地核直徑的局部變化不但說明其正在"成長",而且還表明:地核表面並不規則,分部著大量的凸起與凹陷。

另有一些資料則證實,地核一直在不停地旋轉。因此,文連星觀測到的效應也通過另外一種方式進行解釋:處于非洲中部下方的地核會出現局部旋轉速度"提升"的情況。

可能蘊藏黃金

據俄羅斯《紐帶》2006年6月報道,澳大利亞科學家伯納德·福特撰文指出,在地核中儲存有非常豐富的黃金。根據他提供的研究資料,地核中黃金的總儲量足以在地球表面包裹一層半米厚的金製外殼。伯納德·福特是在對一塊與地球同時形成的隕石進行分析後得出的。

科學家們在對一塊偶然找到的小行星碎塊進行分析後發現,它們之中重金屬(主要是鐵、鎳、鉑和金)的比重均比較大,而這種情況正好與構成行星的原始物質的組成是一致的。但是,在地殼和岩漿中這些重金屬的含量均非常低。

伯納德·福特由此得出結論,那些"缺失"的黃金和鉑很可能都沉積到了地球內部。他認為,地核中集中了地球上至少99%的黃金儲量。不過,這一假說還難以得到驗證。

相關知識

地球自西向東自轉,同時圍繞太陽公轉。地球自轉與公轉運動的結合產生了地球上的晝夜交替和四季變化。地球自轉的速度是不均勻的。同時,由于日、月、行星的引力作用以及大氣、海洋和地球內部物質的各種作用,使地球自轉軸在空間和地球本體內的方向都要產生變化。地球自轉產生的慣性離心力使得球形的地球由兩極向赤道逐漸膨脹,成為略扁的旋轉橢球體,極半徑比赤道半徑約短21千米。

地球可以看作由一系列的同心層組成。地球內部有核、幔、殼結構。地球外部有水圈和大氣圈,還有磁層,形成了圍繞固態地球的"外套"。

地球從地表至第一個介面為地殼,它是由堅硬的岩石組成的固體外殼,平均厚度33公裏,由沿海往內地增厚,第二圈層為地幔,其上層為上地幔,與地殼岩層組成地球的岩石圈,岩石圈厚約100公裏。岩石圈以下至400公裏處稱軟流層,是岩漿的主要發源地。軟流層至地球內部第二個介面為下地幔,其間壓力在3萬至130萬個大氣壓,溫度高達1400℃至2000℃。第二個介面以下為地核,物質具有巨大的密度,每立方釐米高達17.9克。值得指出的是,上述地球內部圈層的劃分主要是以地震波傳播速度的變化作為依據的。

我們所知,地核分為外地核與內地核。地球存在自轉,而地核也存在自轉,兩者是一種差速轉動的關系。也就是說,經過一百萬年,地核將比赤道多轉了一度。然而,隨著時間的推移,由于處于外地核上的液態物質凝結于其表面,使得地核自轉增加得非常緩慢。而在這個過程中,內地核東西半球在轉速上的差異性對地核自轉的影響是如何進行關聯的,還需要進一步證實。

劍橋大學地球科學系博士生Lauren Waszek,也是該文的第一作者解釋說:"較快的自轉速率與對內地核半球的監測資料不符,因為沒有足夠的時間將這種轉速上的差異作用于內地核結構。這個問題就像一個物體不可能有兩種屬性。然而,我們卻從半球結構的演化中得出了地核的轉速,因此這也是第一次將內地核半球結構同自轉的問題聯系起來。"

為了進行本次研究,科學家將地震體波穿透5200千米深的內地核,通過比較震波總的用時與從內地核表面反射回來所消耗的時間,這個時間差將揭示出內地核上方90千米處的轉速。他們將這個資料與內地核東西半球轉速的差異相關聯。他們首先監測到東西半球存在轉速上的差異,並通過對兩個半球分界線的研究後發現它們都向東移動。由于內地核隨著時間推移向外擴張,其外層結構就比內部更深處來得年輕,而兩個半球分界線的差動導致了內地核的自轉。所以隻要獲得了分界線差動和地核擴張的參數,我們就能算出地核的自轉速率了。

雖然地核位于5200千米深的地下,但是其依然能對地表產生影響。特別是隨著內地核向外擴張,凝固過程中釋放的熱量又促進了外核中液態物質的對流。這種對流就產生了地球的磁場。如果沒有地球磁場,太陽輻射將長驅直入,生命也就不可能存在了。

這個研究報告是第一次發現內地核自轉速率是如此的緩慢,同時也提供了一個非常有價值的研究方向:是否可以建立一種模型,來模擬外地核的液態物質對流,使我們對地球磁場的演化有一個更為深入的了解。

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