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教科书将被改写?科学家在地球深处发现了新结构,组成尚不明确

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  很早的时候我们就知道地球像一颗巨大的洋葱一样,是由一层一层的结构包裹起来的,一直以来我们所知的结构分为四层:固态地核、液态外核、地幔和地壳。

  其中地壳是地球的最外层,最深的地方有70公里,最浅的地方只有1.6公里,平均深度在30到40公里之间,所有的生命以及海洋和大气都覆盖在地壳之上。

  

  地幔是地球最厚的一层,从地壳和地幔分界面向下延伸了大约2890千米,从地幔的最下层再往下2260公里就是我们常说的液态外核,这里的物质保持着熔融的液态,温度在5000摄氏度以上;

  剩下的结构就是固态内核,深度达到了6370公里,这就是以往我们所知的地球结构,总共分为了四层。

  

  但是发表在《地球物理研究》杂志上的一篇论文指出,科学家在地球内核深处又发现了一个新的分界面,在这个分界面之上是我们以往认为的固态内核,主要由铁和镍组成;

  在这个分界面之下物质结构发生了变化,组成成分尚不明确,但科学家猜测依然是以铁为主的固态核心,从分界面到地球中心的距离约为650公里。

  如果这个研究是正确的,那么这项发现将改写我们的教科书,地球不再只有四层,而是变成了五层,在固态内核之中还包含着一层不为人知的结构。

  

  那么科学家是如何发现这一层结构的?或者说科学家是如何知道地球一层一层的洋葱结构的?

  按照常理来说想要知道一个东西的结构,最简单粗暴的办法就是把它拆开来看一下,或者说是打一个贯穿物体的洞取出样本就一目了然了。

  研究地球结构也可以用这个办法,但唯一的问题是地球实在是太大了,半径足足有六千多公里,而且密度很大,想打穿地球可以说是人类的痴心妄想。

  而且事实也证明了在地球上打洞是不明智的选择,上世纪的美国和苏联都曾经在地球上打过钻孔,美国计划在海洋的底部钻到地幔,最后因为技术和资金的问题只钻了几百米就停止了。

  

  苏联从1970年开始在西伯利亚深处的科拉半岛钻了24年,花费了大量的人力物力,最后只打出了一个一万多米的钻孔,虽然这是人类目前所创造的最深的人工孔洞,但这个孔对地球来说就像是人的皮肤被蚊子叮了一下一样。

  因此我们现在对地球内部结构的了解并不是直接研究的结果,而是通过地球演化理论和地球物理实验间接获得的结论。

  地球演化

  地球形成和演化的过程可以大致地告诉我们地球的结构。

  

  我们知道在宇宙空间中像地球这样的宏观天体它的形成基本上只跟一种力有关系,那就是引力!在引力的作用下大量的物质发生快速的碰撞聚集,并且会在短时间内持续地释放出巨大的引力势能;

  引力势能的释放就增加了物质的内能,因此地球在最初形成的时候,就是一颗完全熔融状态的大火球。

  其次还有另外一种由引力引发的现象,我们今天在地球上也常会看到,那就是重物下降,轻物上升,例如木块就浮在水面上,而石头会沉到海底,氢气会逸散到太空,而像二氧化碳这种重气体就会沉到大气底部。

  

  在熔融的地球上,这样的现象也会不断的发生,根据这个现象我们就能确定地知道,地球越往深处走,它的密度就不断的上升;

  这就是为什么现在的地球大气漂浮在海洋之上,海洋又漂浮在地壳之上,地壳漂浮在地幔之上,而地幔漂浮在地核之上。

  因此根据地球形成和演化的历史,我们就可以确定地球是一个由着不同密度组成的一层一层的洋葱。

  

  由于地球刚开始形成的时候是一颗大火球,因此我们也能知道,越往深处走地球内部的温度会更高,如果现在的地球没有完全冷却的话,那么在地球的内部应该还保留着熔融状态的核心。

  从地球拥有的磁场中我们也确切地知道这一点,如果没有熔融的核心,地球是不会像一台发电机一样,不断地产生磁场。

  地球物理

  通过地球演化的历史我们大致就能知道地球内部的模样,总结起来就是,地球内部的密度更高,不同的密度会形成不同的层次;地球内部温度很高,甚至有熔融的液态层。

  剩下的工作就是,我们需要确切地知道地球内部都有哪些分层,以及各个分层的深度组成成分等等这些信息。

  

  唯一能够帮助我们实现这一点的就是火山活动和地震波。

  通过火山活动喷发出来的物质,我们可以确切地知道地幔深处的物质成分,可以发现其中的物质比地壳含有更多的铁以及镁组成的硅酸盐,密度要比地壳大,也验证了我们之前的理论猜测。

  通过地震波在地球内部的传播速度变化(波在不同密度的物质中传播的速度不同),我们就能知道地球内层的分层状况。

  地震波分为P波和S波。

  

  P波为纵波也就是压缩波,疏部和密部以此向外传播,介质的震动方向和波的传播方向一致,声音就是通过这种形式在介质中传播的。

  

  S波是横波,水面上激起的涟漪就是这种形成的波,介质的震动方向和波的传播方向垂直。

  当发生地震的时候,震源处产生的S波和P波会从一个点源向四周扩散,这些波在遇到不同的物质状态或者是密度发生变化的时候,要么无法通过,要么发生偏转折射;

  分布在全球各地的地震波检测点就能通过收集这些波,通过波发生的变化,分析出它们从点源发射以后,都经过了哪些变化,从而知道地球内部的结构。

  

  例如S波它不能通过液态物质,因此我们就能知道地球内部有个液态的外核,而且能够知道这个液态外核的范围;

  P波在不同的密度中传播的时候会发生折射,因此我们就能知道地球内部分层密度的变化,以及确切地知道密度变化发生的深度,也就是知道不同密度地层的分界面位置。

  通过P波我们知道了,地壳和地幔有个密度变化的分界面,外核和内核有个密度变化的分界面。所以我们就大致地确定了地球的内部结构。

  但是这个方法它不一定就非常准确且完善,毕竟这只是通过间接的方法所获得的结果,因此关于地球内部真实的情况,我们还不是很了解。

  就像是这次科学家通过研究地震波在地球内部的走时数据,采用了新的算法就重新构建出了一个新的地核模型,发现在内核中还有一个新的分界面,在分界面之下地核的密度更高,铁结构出现了细微的差异,这个新的分界面之下被称为地球的“第五层”。

  

  

各种模型显示地球中心的铁结构发生了细微的变化,如图中绿色核心区域内的黑色圆圈所示。

  目前并不清楚其中的成分发生了哪些变化,未来科学家将会对这个新发现的分层金星更多的研究。

  

doi.org/10.1029/2020JB020545

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