地球發電機——地核,還年輕著呢!四川大學科學家:我們差點放棄

2020-09-05 紅星新聞

10億歲聽起來可能並不年輕,但對於地核而言,似乎還年輕著……

據澳大利亞第九新聞頻道8月26日報導,美國德克薩斯州大學的研究人員在實驗室內重建了模擬地球核心的環境,以估計地球固態內核年齡。最終,通過兩年時間,他們得出了結果——地核的年齡預估在10億到13億年之間——位於此前認為的光譜最低端。這一研究已於本月早些時候發表在美國物理學會的同行評審期刊《物理評論期刊》上。

更重要的是,這一實驗讓研究人員對地核如何傳導熱量以及驅動地球發電機的能源有了更清晰的了解。研究人員說,地球發電機是維持地球磁場的機制。而地球磁場,則是地球上的生命賴以生存的核心,它保護地球免受有害宇宙射線的傷害,並幫助指南針指向北方。

地球磁場計算機模擬圖,地球磁場是由地核的熱傳遞而產生的。圖據NASA

「人們非常好奇和興奮地想了解地球發電機的起源和磁場強度,因為它們促成了行星的宜居性。」領導該研究的得州大學奧斯汀分校傑克遜地球科學學院教授林榮富(音譯)說道。

報導介紹,地球的核心主要由鐵構成,內核是固態的,而外核是液態的。鐵通過傳導來傳遞熱量的有效性——即熱導率——是確定地核其他許多屬性的關鍵,包括內核是何時形成的。

多年來,關於地核的實際年齡一直存在多種混亂的答案。對地核年齡和熱導率的估計從非常古老和相對較低,到非常年輕和相對較高,各不相同。此前,一項研究估計,地核的年齡在13億年到45億年之間。去年,發表在《自然地球科學》上的一項研究甚至稱地核僅有5.65億歲。但研究人員表示,這一相對年輕的估計產生了一個悖論,即在形成內核之前的幾十億年裡,地核必須達到無法實現的高溫才能維持地球發電機運轉。

地球的內部結構 圖據:中國科學院測量與地球物理研究所

而這項新研究正好解決了這個悖論。通過重新創造類似地核的條件(壓力大於100萬大氣壓,溫度接近太陽表面),研究人員可以測量鐵的熱導性。林榮富解釋道:「一旦確切知道從外地核到下地幔的熱流量,就可以了解地球何時充分冷卻到內地核開始結晶的程度。」

得州大學新聞網報導,研究人員通過將雷射加熱的鐵樣品擠壓在兩個金剛石鐵砧之間來達到模擬條件。這不是一件容易的事,他們花費了整整兩年時間才得到合適的結果。「我們遇到了很多問題,失敗了很多次,這讓我們很沮喪,我們幾乎放棄了,」論文的合著者、四川大學副教授張友君說道。

利用傳導率和熱傳遞的信息,研究人員可以對內地核的年齡做出更精確的估算。它還表明,內地核的形成在地球磁場的形成中扮演了關鍵的角色。

地球構造示意圖(資料圖片)

最終,這一新研究測得的熱導率比地球5.56億年前時的導電率要低30%~50%,依據這一數據,科學家估算出地球內核大約是在10億至13億年前形成的。以此同時,這也表明地球發電機是由兩種不同的能量來源和機制維持的:熱對流和成分對流。起初,地球發電機僅靠熱對流維持;現在,兩個機制的作用同樣重要。

而這一結論恰巧與地球磁場所留下的痕跡一致,可以追溯到15億年前的巖石中磁性物質的排列顯示,大約在這個時候,地球磁場強度激增,與地內心開始結晶的時間相近。

紅星新聞記者 王雅林 徐緩

編輯 郭宇

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    來源:科技日報科技日報北京8月30日電 (記者劉霞)四川大學地球物理研究室與北京高壓科學研究中心及美國科學家攜手,重新對地球固態內核的年齡進行估計,測算出其年齡介於10億到13億年之間。最新研究發表於《物理評論快報》雜誌。
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