地核是何時形成的？10-13億年前，熔融的內核冷卻成了固態

在我們的腳下，有著一片廣袤、厚實、堅硬的大地。我們知道，那就是地球的地殼。

不過，在整個地球結構中，地殼只佔了很小的一部分。半徑6378公裡的地球，地殼最厚處也只有大約33公裡，地殼以下有約2865公裡的厚度都被地幔佔據，最內側則是地球的核心——地核。

直到今天，我們對於地核的了解仍然非常有限。迄今為止，人類挖過的最深的坑也只有大約12公裡，遠遠沒有到達地幔，更不用說地核了。因此，我們目前也只能通過地震等方式來推測地核的結構。

據推測，地核分為兩部分，最內側是內核，外面是外核。內核是由固態的鐵和鎳組成的，而外核則是熔融狀態的鐵在流淌。

不過，地核並非一直是這樣的，在最開始的時候，由於能量比較高，整個地核都處於熔融的狀態。直到溫度不斷散失，內核才凝固下來的。至於這個內核冷卻的時間，則一直是科學家們爭論的焦點。在此之前，科學家們能夠推算出來的時間範圍非常廣，近至5.65億年前，最遠甚至可能出現在45億年前地球剛形成的時候。這樣寬泛的範圍很難給我們有效的參考，因此許多科學家孜孜不倦地進行著這方面的研究。

最近，國外的一支科研團隊採取了一種新的研究方法，他們在實驗室中模擬出了類似於地球核心的條件，從而獲得了比較可靠的數據。這個數據將內核冷卻發生的時間大幅度地縮小，從5.65-45億年前縮小到了10-13億年前。

這樣的研究是非常有意義的，我們可以藉此更加了解地球、尤其是地核的演化歷程。目前來說，科學家相信地核是地磁場的根本來源，而地磁場的存在不僅鎖住了地球的大氣層和水分，也保護地球生物免受太陽和宇宙輻射的傷害。不論從哪個方面來講，這次對於地球內核冷卻時間範圍的縮小都可以有很好的借鑑作用。

德克薩斯大學奧斯汀分校的地球科學家林俊孚（Jung-Fu Lin）教授介紹說：「我們對於地球發電機的起源以及地磁場的強度始終充滿了好奇和熱情，因為它們對於一顆天體的宜居性來說不可或缺。」

所謂的地球發電機，英文名為geodynamo，是由地球外核的熔融鐵所產生的。在這些熔融鐵的對流之下，就會產生地磁場，這是目前關於地磁場來源的普遍說法。這種對流可能來源於兩種機制：

• 熱對流：由溫度產生梯度而形成，通常會出現在完全的液態內核中；
• 成分對流：由於外核之中不僅僅有鐵元素，還有一些元素，其中較輕的元素會在浮力的作用下上升，導致熔融的物質流動起來產生對流。

不論是哪一種情況，都可以導致離子或者電子在這種導電性極佳的熔融外核中流動，從而產生電流。而磁生電是眾所周知的，於是地球磁場就出現了。科學家指出：這兩種對流方式都存在於今天地球的外核之中，它們都為地磁場貢獻著自己的力量。

但是，對於沒有冷卻出固體內核的地球來說，成分對流是不存在的，只有熱對流有可能出現。這個情況下雖然也能啟動地球發電機，但如果讓它維持數十億年，對於鐵的溫度要求將非常高，甚至超出了理論值。因此，通過理論上熔融鐵的溫度，我們可以推測出內核冷卻時間的下限。

同時，為了達到現有的溫度，地核裡鐵的導熱效率就成為了一個關鍵因素。鐵的導熱效率隨著其狀態不同而變化，因此，林教授和他的同事們在實驗室中對鐵在不同壓力和溫度下的導熱性來進行對地核的研究。

他們首先取了一個鐵質樣品，利用雷射給它加熱，然後利用金剛石砧板提供壓力。當然，這個過程說起來簡單，實則非常複雜。為了進行足夠的測試，他們花了整整兩年的時間。功夫不負有心人，最終他們在1700億帕斯卡的壓力（相當於海平面大氣壓的170萬倍）和3000開爾文的溫度（約為太陽表面溫度的一半）下對這塊樣品的電導率和導熱性進行了測量。

根據科學家的測量和分析，地球外核的外側和內側邊緣的壓力分別為1350-3300億帕斯卡，而溫度則從4000開爾文提升到了5000開爾文。尤其在最核心處，溫度可以高達6000開，比太陽表面還要熱。但是，雖然遠高於鐵的熔點，不過在恐怖的壓力之下，鐵還是被壓成了固體。

研究團隊利用對樣本測得的熱導率數據進行分析後發現：如果內核的年齡真的像以往所推測的最晚極限5.65億年來計算的話，測量的數據要比理論值低了30%-50%，事實勝於雄辯，看起來以往的理論是錯誤的。所以，他們根據測量到的數據重新設定了熔融鐵在地核的環境下所具備的導熱率上限，而這個上限進一步又約束了地核能夠傳導和保留熱量的上限。通過這個數據，他們就能夠估算地球內核的年齡了。

正是通過這樣的方法，林教授等人才將內核冷卻的時間範圍縮小到了10-13億年前。值得注意的是，他們的這個數據也恰好和地磁場的變化相吻合。此前科學家對早至巖石中15億年前的樣本磁性分析顯示，地磁場在這段時期也有所增強。地核與地磁場本就有著密不可分的關係，而兩項研究的一致性也讓我們對這些結果更加有信心。

不過，還有一點不得不提，那就是5.65億年這個數字也並非是其他科學家一拍腦門就提出來的。巧的是，這個數字同樣來自於當時地球巖石樣本所體現出來的地磁場的增強。如果10多億年前的那次增強真的來自於內核的冷卻凝固，那麼5.65億年前地球又發生了什麼呢？

沒有人知道這個問題的答案，研究團隊也承認，這需要更多礦物物理學、地球動力學和古地磁學等方面的進一步研究和聯繫。保護我們生命安全的地磁場究竟是怎麼產生的？地球最深處的核心到底有著怎樣的秘密呢？希望科學家早日給出答案。