人類對地球了解有多少?地底之下的奧秘是如何被科學家們發現的?

2020-12-03 深夜書評

地球上還有人類尚未踏入的地方嗎?人類攀登上了珠穆朗瑪峰,潛入馬裡亞納海溝,甚至飛到了月球上。但我們卻尚未踏足地球的最深處。因為我們沒有辦法向下挖掘如此深的地方。

迄今為止。人類探索地心最深的記錄是位於科拉半島12261公尺的超深鑽井。熱愛神秘學說的人們將這個鑽井稱為通往地獄的申請,另一方面,在網絡上也充斥著各種奇怪的謠言:像是從井底裡跑出了惡魔或者是可以聽到醉人的呻吟聲等。

但是科拉半島鑽井實際上連地幔都沒有到達,只挖到了地殼的三分之一而已。也就是說,至今仍沒有人實際看到地球內部的景象。

那我們平時常看見的地球斷面圖又是怎麼回事兒?雖然有學者聲稱在2900公裡深處有一個地核,但我們從未擁有可以到達如此深處的挖掘機吧!這些專家學者到底是怎麼得出這個結論的呢?

這個名為地球的蛋糕究竟是由哪些部分組合而成的吧?所謂地殼就是指巖石圈的上部區域。海洋地區的地殼厚度很薄,大概是5到10公裡左右,而陸地區域的地殼厚度則是30到415公裡左右。地殼並不是像蛋殼一樣覆蓋在地球表面。地殼是由數個碎片所組成,也就是不斷移動的那幾個版塊,而地幔位於各板塊所組成的地殼之下。地幔是地球內部最大的區域,佔地球總體積的80%,深度位於30到2900公裡之間。

地表上發生的地震、火山、大陸移動等現象,都是由地殼、地幔運動造成的。地幔層是由一種神秘的物質所組成。這種物質介於固體與液體之間,就像黏稠的煤焦油。越深的地方溫度就越高。而地幔的這種泥漿狀的物質會一直不斷的移動。物質會從溫度較低的上層向下流。而處於較弱的地層的物質則上升到接近地表的位置。被冷卻之後就再次循環,這跟加熱鍋內的湯時產生的現象幾乎一樣。而下一層就是地球的核心了。

地球的核心被分為內核和外核,他的外核為液體狀,成分是鐵跟鎳。而這些物質被溶解,也不是什麼令人驚訝的事。因為地球深處是非常高溫且高壓的。而在5150公裡的深處,是外核跟內核的邊界線。溫度高達攝氏6000度。這已經比太陽表面的溫度還要高了。

我們究竟是如何得知地球的構造的呢?令人驚訝的是是,地震告訴了我們地球內部的構造。這種天災帶來的不只有破壞還有知識。地震發生於板塊的連接處。當一個板塊在向另一個板塊移動時會釋放出大量的能量,並在地底下引起震動。而在地表地震波會以震源為中心向四周擴散。請你想像一下投入水裡的石頭所激起的漣漪。不僅如此,地震波會傳遍地球,在地球的另一側也能觀測到。也就是說,地震波也會傳到地球的核心。這也代表我們能夠像醫師用超音波檢查嬰兒狀態一樣用地震波來觀察地球的內部情況。

地震波分為兩種,表面波以及實體波。傳向地殼上部,在表面大肆破壞的就是表面波。

但我們今天先不說這個,我們要來談談實體波。實體波被分為p波和s波。p波是主波,也就是最早到達的波或是被壓縮的波。所以P波又被稱為縱波或壓縮博。隨著能量釋放,p波會跟著物質的運動方向一起推進。地震儀最早記錄到的便是P波。因為他們的傳播速度比其他波塊。p波可以透過固體或液體傳播。但是折射率會根據傳播物質的密度而改變。S波是次要的波,也就是第二個到達的波。它的傳播速度比p波要慢。S波又被稱為橫波或者剪切波。另外s波只能夠過高剛性的媒介傳播。

現在請你想像一下,當地震發生後,地球上各個角落的地震觀測站都觀測到了地震波。有了這些數據,我們就能根據地震波的傳送速度來得知地震波的折射狀況,以及是透過哪些媒介傳播的。如果地球內部物質是均勻分布的話,地震波就會從震源中,向四面八方筆直前進,完全不會改變方向。

但是實際情況並不是這樣。而我們可以觀察到,地震波是透過幾個不同的媒介傳播,的專家們透過這個方式探索了地殼下部的邊界區域,第一個分界面位於地下33公裡處,是由奧地利科學家莫霍洛維奇在1909年發現的,所以這個分界面叫「莫霍面」,另一明顯界面位於2885千米深處,是德國科學家古登堡於1914年發現的,簡稱為「古登堡面」。

地震波在這兩個分界面,由於傳導介質不同,會突然的加快或減緩速度。也就是說在這個區域的物質密度有了巨大的變化。因為只要媒介的密度增大,縱波的速度就會加快。另一方面,透過觀察s波的移動,我們可以得知地幔之下有外核的存在,因為s波無法透過液體傳播。

照理來說,在地球另一側也可以觀察到的s波卻再次消失無蹤了。從這個現象來看,我們可以推測在地幔之下有另一層由液體組成的區域。另外我們也可以推測此區域的大小。而我們又是如何得知在液體狀的外殼裡,另外有著高剛性的內核呢?

這是P波的功勞。因為p波不僅傳播到了內核,並在外核以及堅硬的內核的邊界上發生折射。

那麼現在我們已經知道地球內部的構造了。但是我們又是如何知道地球核心的成分以及溫度呢?總不可能是拿溫度計直接去量吧。老實說,我們現在仍然無法完全確定構成地球核心的物質為何。因為我們沒有辦法實際證實這個理論,因此只能算是人類的推測。而科學家這在這裡運用了一些宇宙相關理論以及邏輯思考。所有行星包括地球都是從氣體以及行星繼承雲中誕生的。而我們知道這些雲是由氫氦鎳、矽以及鐵元素所組成的。也因此,專家們也推測在地球內部同樣擁有這些物質。當地球形成時,這些元素就像色拉裡的蔬菜一樣被混合在一起了。但由於重力作用。重量較重的元素向下沉。重量較輕的元素則留在接近地表的區域。也就是說,像鐵或鎳這些較重的元素,就極有可能會留在地球內部。

關於地核的成分則是隕石給了我們一些提示。隕石是當行星形成後所留下的殘留碎片。我們發現了石質隕石以及鐵質隕石等混合了其他元素的隕石。也因此我們可以推測,地球也是由這些元素所組成的。但是就憑這些我們也無法推測地球核心的溫度為幾度。也因此接下來就是實驗的時間了:研究人員在實驗中加入了地殼內部相似的壓力,以及組成地核的成分及元素等條件,並成功在實踐中得出物質將會達到的溫度。

我們對於地球內部的知識,都是透過推測或是間接事實中得知的。雖然現在人類已經解開不少地底之謎,但未來想必有更大的謎等著我們去探索。這也非常值得讓我們在宇宙中繼續探險,這是因為藉由學習其他的行星的內部成分與構造,我們才能更加理解人類所居住的這顆星球。

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