在地核內(nèi)發(fā)現(xiàn)神秘的“甜甜圈”結(jié)構(gòu)

在我們腳下約 2,890 公里處，有一個巨大的液態(tài)金屬球：我們星球的核心。像我這樣的科學家使用地震產(chǎn)生的地震波作為一種超聲波來“看到”核心的形狀和結(jié)構(gòu)。

使用一種研究這些波的新方法，我的同事馬小龍和我有一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：赤道周圍有一個大的甜甜圈形核心區(qū)域，厚幾百公里，地震波的傳播速度比核心的其他部分慢約 2%。

我們認為這個區(qū)域含有更多較輕的元素，如硅和氧，并且可能在流經(jīng)核心產(chǎn)生地球磁場的大量液態(tài)金屬流中發(fā)揮關鍵作用。我們的結(jié)果是今天發(fā)表在 Science Advances 上.

“尾聲相關波場”

大多數(shù)關于地震產(chǎn)生的地震波的研究都著眼于地震后一小時左右在世界各地傳播的巨大初始波前。

我們意識到，通過觀察這些 waves 中較晚、較微弱的部分，稱為 coda – 將一段音樂帶入結(jié)尾的部分，我們可以學到一些新的東西。特別是，我們研究了不同地震探測器記錄的尾聲在開始幾個小時后的相似程度。

用數(shù)學術語來說，這種相似性是通過一種稱為相關性的東西來衡量的?？傊?，我們將地震波后期的這些相似性稱為“尾聲相關波場”。

通過觀察尾聲相關波場，我們檢測到了來自多個混響波的微小信號，否則我們不會看到。通過了解這些混響波的路徑并將它們與尾聲相關波場中的信號進行匹配，我們計算出它們穿過地球需要多長時間。

然后，我們將我們在靠近兩極的地震探測器中看到的結(jié)果與靠近赤道的結(jié)果進行了比較?？傮w而言，在靠近兩極的地方探測到的波比在赤道附近探測到的波傳播得更快。

我們嘗試了許多計算機模型和模擬，以了解核心中的哪些條件可以產(chǎn)生這些結(jié)果。最后，我們發(fā)現(xiàn)在赤道周圍的外核中一定有一個圓環(huán)——一個甜甜圈狀區(qū)域，那里的波傳播得更慢。

地震學家以前從未探測到過這個區(qū)域。然而，使用尾聲相關波場可以讓我們更詳細、更均勻地“看到”外核。

以前的研究得出結(jié)論，波浪移動更慢到處都是外芯的“天花板”。然而，我們在這項研究中表明，低速區(qū)域僅在赤道附近。

外核和地發(fā)電機

地球外核的半徑約為 3,480 公里，比地球略大火星.它主要由鐵和鎳組成，并含有一些較輕的元素，如硅、氧、硫、氫和碳。

外芯的底部比頂部更熱，溫差使液態(tài)金屬像爐子上沸騰的鍋中的水一樣移動。這個過程稱為熱對流，我們認為不斷的運動應該意味著外核中的所有材料都很好地混合和均勻。

但是，如果外核的任何地方都充滿了相同的物質(zhì)，那么地震波也應該以大致相同的速度傳播。那么，為什么這些波在我們發(fā)現(xiàn)的甜甜圈形區(qū)域會減慢呢？

我們認為這個區(qū)域的輕元素濃度一定更高。它們可能會從地球的固體內(nèi)核釋放到外核中，在那里它們的浮力會產(chǎn)生更多的對流。

為什么較輕的元素在赤道甜甜圈地區(qū)積累得更多？科學家們認為，如果更多的熱量從外核傳遞到該區(qū)域上方的巖石地幔，就可以解釋這一點。

在外核中還有另一個行星尺度的過程在起作用。地球的自轉(zhuǎn)和小的固體內(nèi)核使外核的液體組織成南北方向的長長的垂直漩渦，就像巨大的水龍卷一樣。

液態(tài)金屬在這些漩渦中的湍流運動產(chǎn)生了負責產(chǎn)生和維持地球磁場的“地發(fā)電機”。這個磁場保護地球免受有害的太陽風和輻射的影響，使地表上的生命成為可能。

更詳細地了解外核的組成——包括新發(fā)現(xiàn)的較輕元素的甜甜圈——將有助于我們更好地了解地球的磁場。特別是，磁場如何隨時間改變其強度和方向?qū)τ诘厍蛏系纳约靶行呛拖低庑行堑臐撛谝司有灾陵P重要。

Hrvoje Tkal?i?教授、地球物理學系主任、Warramunga Array 主任、澳大利亞國立大學

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