地球内核有异常

地球内核有异常
河水流淌穿过新地群岛的一处山脊,这里是冷战时期前苏联的一处核试验地点。这些试验所得的数据得以让如今的科学家们高清一睹我们星球的内部。
摄影:MAXIMILIAN BUZUN, ALAMY STOCK PHOTO
 
撰文:MAYA WEI-HAAS

  1971年9月27日,一枚核弹在俄罗斯的新地岛爆炸了。强烈的爆炸产生的波动振荡到地球内部很深的地方,又从地心反弹回来,让6400公里外蒙大拿荒野上的一列数百只机械耳都嗡嗡作响。三年后,当第二颗核弹在几乎相同的地点爆炸时,这列机械耳接收到了一个信号。
 
  这两次核弹爆炸只是冷战狂热挣扎时期上百次试验引爆中的一小部分。现在,这些振荡记录在地质学家之中引起了轩然大波:它们帮助科学家计算出了迄今为止对地球内核旋转速度最精确的估值之一。
 
  地球人都知道地球每24小时绕地轴自转一圈。但地球内核就是一个大约月球大小的铁球,漂浮在熔融金属的汪洋之中,这就意味着它可以独立于地球的大规模自转而自由转动,这种现象被称为超旋转。地核旋转得有多快一直是人们热议的话题。
 
  利用那些数十年前的核爆产生的曲折信号,南加利福尼亚大学的地震学家John Vidale现对这一速度有了最新估计。在最近发表于《地球物理研究快报》上的一项研究中,他记录了地球内核的转速可能比地球表面稍快几厘米。如果他的速度是正确的,就意味着假如你在赤道的一个点位上站一年,刚开始就在你脚下的内核部分最终会离你7.7公里远。
 
  “这是一次精确谨慎的研究,”加利福尼亚大学的地震学家Paul Richards说,他是1996年首次记录了内核超旋转的研究的合著者。“那下面出现变化了。”
 
  更好地了解地球内部这块铁团的历史和当前动态,能够为我们的磁场的带电及稳定过程提供更多线索,这磁场是一种保护我们的世界免受各种有害辐射的地质力场。我们仍未完全了解这个磁场发电机是如何运作的,但是科学家们强烈怀疑它与地球内部的神秘运动密不可分。
 
  “地球是一个极端自然实验室,”伦敦帝国理工学院的地球深部地震学家Elizabeth Day说,她未参与这项工作。我们脚下的数千公里处,压力在爆棚,温度在灼烧。“在真实的实验室中我们无法轻易复制这些条件。但如果我们能够观察到地球的深处,就能对这一系列极端情况有一些了解了。”
 
  新的研究工作只是众多次试图计算出地核超旋转速度的尝试之一,但它提供出了迄今为止提出的超旋转速度最慢的速度之一。不过这些研究之间的差异也不见得是一件坏事,Day说。
 
  “这并不意味着任何人都是错的,”她说。“这只代表每个人看到的东西都略有不同。”
 
地核难题

  先前的研究,包括Richards合著的论文,利用地震波在地球上传播的各种特性,给出了他们对内核超旋转速度的估计,其中一些每年只得出零点几度。而这样的测量并不易做到,其中许多分析的解析度都很低。不过,不像地震能发出强烈的震波,核爆炸提供的是一个清晰的信号。
 
  “这就像地球被锤子砸了一样,”Day说。
 
  问题在于提取由蒙大拿州大孔径地阵阵列编译在九轨磁带上的数据。1990年,磁带被送到了阿尔伯克基地震实验室,然后由那时还是斯克利普斯海洋研究所的研究生Paul Earle负责从质量日益退化的磁带中提取前苏联核试验的回声。
 
  Earle在一个满是盒子的房间里呆了两周,盒子里装满了带有秘密标签的光盘。大多数磁带都遭到磨损,它们的磁性信息随着时间一起流逝了。大约有十分之一的磁带已经无法用磁带放音机读取了,Earle说,他现在是美国地质调查局的地震学家。
 
  但一切努力都是值得的。Earle,Vidale,和劳伦斯利物莫国家实验室的Doug Dodge利用这些核爆炸中的散射波窥进了地球的内核。通过对比1971年和1974年在几乎同一地点爆炸后散射回来的波纹,研究团队能够计算出相对于地球的其他部分,地核旋转的速度有多快。计算过程与用雷达追踪行进的飞机很相似,Richards强调。
 
  他们最初的结果发表在2000年《自然》中的一篇研究里,指出旋转速度在每年0.15度。随后Vidale改变了策略,在近15年的时间里没有再过多思考内核。
 
深入挖掘

  这种状态在2018年12月时改变了,当时他正走过美国地球物理联盟年会上熙熙攘攘的海报大厅。在那里,Vidale注意到了Jiayuan Yao的研究工作,Jiayuan Yao目前是南洋理工大学的地球物理学研究人员。
 
  Yao梳理了数万次地震,寻找在同一地点不同时间发生的地震对。他通过对比40对相同地质中穿过地球内核的地震波,希望能探清我们地球深处的秘密。
 
  “这真是绝佳的数据,”Vidale反复回想。然而,Yao的数据解析并非指向超旋转,而是暗示可能发生了别的事情。
 
  被这一难题引起了兴趣,Vidale回顾了他的核爆炸数据组,但由于没有找到原始的分析代码,他不得不从零开始,用一种经过更新的方法更深入地挖掘冷战时期的震波。他的分析结果还是产生了超旋转,但结果相比原先的估值反而更慢而更精准了,得出了1971年至1974年间每年0.07度的新数据。
 
确定的不确定性

  但当其他科学家对Vidale最新研究的彻底性赞不绝口时,争论也似乎远未结束。

  Yao和他的同事们最近发表了一篇有趣的文章,用他从相同地震对中获得的数据进行了另一种解释。他们假设,也许地球内核其实是以与地球其他部分相同的速度旋转的,而这种明显的差异也可以解释为,因为内核拥有随着时间,或是山脉上升,或是峡谷下切入铁团,而产生变化的锯齿状表面。
 
  Vidale认为这一分析很有趣,但同时他也赞同在这种混合情形中可能得到的结果不止是超旋转,他对Yao的明确解释持怀疑态度。
 
  Richards争论说,有一种可能是地核这块铁团本身就会随着时间而扭曲。
 
  “这就像当你将一张披萨抛到空中,”他说。“它会旋转,但它也会来回扭动。它在旋转的同时也在变形。”
 
  也有可能内核的旋转速度会随着时间而变化,伊利诺伊大学的深地地震学家Xiaodong Song补充道,他是1996年首次记录了内核旋转的研究的合著者。虽然Vidale得出的最新速度相当强有力,但它受限于一个单一时间段,因此进一步的确认很有必要,他在邮件中说道。
 
  “做这些研究真的很难,”普林斯顿大学的地球深部地震学家Jessica Irving说。“每个零碎的数据都变得很有价值,而且不幸的是连零碎的数据都没有太多。”也许更明确的答案就在眼前。分析结果变得越来越好,而世界各地的地震检波器也在不断地收集数据,监测地球的每一次震动。
 
  解决内核的难题,Yao说道,“不需要再花十年。”
 
  编辑注解:Paul Earle的从属关系已经得到纠正。他曾是斯克利普斯海洋研究所的研究生。文章也经过更新,表明Song和Richards是第一位提供内核超旋转震动证据的人。
 
(译者:薛之歆)
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