基本介紹
- 中文名：地核
- 外文名：Core
- 元素組成：鐵、鎳
- 半徑：3480千米
- 物質密度：每立方厘米10.7克
- 溫度：4000~6800℃
- 質量：1.88e21噸
地核組成,地核構成,溫度與壓力,大核反應,地磁謎題,地球內部,地核不在地球中心,地核轉動比外球快,質量構成,外地核壓力,溫度測算,確定溫度,直徑研究,可能蘊藏黃金,相關知識,
地核組成
地核構成
地球的結構同其他類地行星相似，是層狀的，而這些層可以通過它們的化學特性和流變學特性確定。地球擁有一個富含矽的地殼，一個非常粘稠的地幔，一個液體的外核和一個固體的核心。這些對地球內部結構的認識來源於物理學證據和一些推斷，這些證據包括火山噴出的物質和地震波。地球內部從古登堡面起，一直到地球中心，稱之為地核。
關於核心的物質構成，學術界有不少爭議，許多人認為，主要是由鐵和鎳組成。但究竟是何物，這一切都還有待於進一步探索、證明。此外，內外核也不是截然分開的。地核的密度很大，即使最堅硬的金剛石，在這裡也會被壓成黃油那樣軟。
地核是地球的核心。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。此外在內外核之間，還存在一個不大不小的“過渡層”，深度在地下4980～5120公里之間。
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、過渡層和內地核三個層次。外地核的厚度為1742千米，平均密度約10.5克/立方厘米，物質呈液態。過渡層的厚度只有100多千米，物質處於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/立方厘米，主要成分是以鐵、鎳為主的重金屬，所以又稱鐵鎳核。
溫度與壓力
地核的總質量為1.88e21噸，占整個地球質量的31.5%，體積占整個地球的16.2% 。地核的體積比太陽系中的火星還要大。外地核的溫度範圍大約從接近地幔外側的4000 ℃向內增加至接近核心的6100 °C，內地核的溫度則由交界處的6300℃遞增至地球中心的6800℃。地球內部的熱量主要來源於三部分，分別為地球形成時的餘熱，地球與太陽月球其他行星等天體之間的潮汐摩擦加熱，以及放射性元素的衰變產生的熱量。
由於地核處於地球的最深部位，受到的壓力比地殼和地幔部分要大得多，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，而且還能慢慢變形流動而不會斷裂。
大核反應
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於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。
地磁謎題
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，在地球剛形成時候，大量放射性元素如鈾，釷，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。地球內部的天然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。
地球內部
地核內部這些特殊情況，即使在實驗室里也很難模擬，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於不停息的運動之中。有的科學家認為，地球內部各層次的物質不僅有水平方向的局部流動，而且還有上下之間的對流運動，只不過這種對流的速度很小，每年僅移動1 厘米左右。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
地球內部構造固體地球結構表
地球圈層名稱 | 深度 （公里） | 地 震 縱波速度 （公里/秒） | 地 震 橫波速度 （公里/秒） | 密度（克/立方厘米） | 物 質 狀 態 | |||
一級 分層 | 二級 分層 | 傳統 分層 | ||||||
外 球 | 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 | 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 | 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 球 | 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 | |||
地核不在地球中心
做一個簡單的模擬試驗：在裝滿水的瓶子裡放入一個石子，繫上一根繩子繞手旋轉，結果：在瓶子內的石子始終偏向引力的另一側。
同樣道理，地球在太陽引力作用下繞太陽旋轉，地核將偏向太陽引力的反方向，不在地球中心。
地核轉動比外球快
由於地球的地核不在地球中心，始終偏向太陽引力的反方向，導致地核和外圈層轉動的角速度不一樣，地核快，外圈層慢，如下圖所示。
角速度ω=V / R ，V為線速度，R為半徑。
在A點內球的半徑小於A點到地球中心，依據角速度公式，地核角速度大於外圈層的角速度。
質量構成
地核外地核壓力
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像的。科學家作過一次試驗，在每平方厘米承受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
羅伯特-范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實時監控，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-范德休斯特的試驗小組估計從地核傳出的熱量約占其中的三分之一。
地核變化引起地球變化
地核變化引起地球變化羅伯特-范德休斯特稱，地震波可以穿過幾千英里的地球內部。通過讀取地震波數據，可以有效測出地核與地幔之邊界的溫度。那么，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。研究小組將地震波數據與礦物質物理屬性的數據進行綜合，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-范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數據得到地球內部相關反射界面。接下來假設這些界面正是由於這個相變造成。而這個界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4000攝氏度。據此可以進一步估計地核的溫度可以高達6000攝氏度以上。結合其他研究的關於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於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，其非晶體特性會愈加明顯。因此，地球核心中的主要物質很有可能是粘滯性極高、處於非晶體狀態的、含鐵鎳成分的物質。
學者觀點
羅伯特-范德休斯特的觀點是：人們對地球內部其他一些特徵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。明顯大於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英里範圍內，鐵核變為固態的核心。壓力已使鐵的熔點變得非常高，以至於不斷升高的溫度也不能熔化核心。
由於地核具備上述特徵，所以科學家們在實驗室里很難進行模擬，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於不停息的運動之中。
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多攝氏度，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於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，地核向位於非洲中部地區的地表擴展了0.98－1.75公里。
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，位於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，處於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於其內層發生膨脹所致。
當然，地核直徑的局部變化不但說明其正在“增長”，而且還表明：地核表面並不規則，分部著大量的凸起與凹陷。
另有一些數據則證實，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：處於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月報導，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。根據他提供的研究數據，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制外殼。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
地球從地表至第一個界面為地殼，它是由堅硬的岩石組成的固體外殼，平均厚度33公里，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公里。岩石圈以下至400公里處稱軟流層，是岩漿的主要發源地。軟流層至地球內部第二個界面為下地幔，其間壓力在3萬至130萬個大氣壓，溫度高達1400℃至2000℃。第二個界面以下為地核，物質具有巨大的密度，每立方厘米高達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係。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，由於處於外地核上的液態物質凝結於其表面，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數據不符，因為沒有足夠的時間將這種轉速上的差異作用於內地核結構。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繫起來。”
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。他們將這個數據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。由於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。所以只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。
雖然地核位於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。
