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117次核试验数据揭地核秘密!外核波速几年内波动0.2秒,颠覆认知

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科学家研究地球的内部结构,主要是通过地震波来探测。

但天然地震的位置飘忽不定,定位误差动辄几十公里,这会盖过地核本身的微弱变化,想要测出外核短短几年的动态变化,依靠天然地震这是非常困难的事情。



所以一些科学家把目光投向了冷战时期留下的特殊数据:地下核试验。



这些人工地震,相当于在固定地点给地球做了一次次标准CT扫描,因此成了窥探深部地球的绝佳探针。

而最近,弗吉尼亚理工大学的地球物理学家周颖,就利用1977到1995年间法国在太平洋穆鲁罗阿环礁进行的地下核试验数据,解开了外核动态变化的新细节。

相关研究于2026年8月18日发表在《地球物理研究杂志》上。



这些爆炸产生的地震波横穿半个地球,被地球另一端哈萨克斯坦的博罗沃耶地震台完整记录。

两点在地表的震中距约141.7度,这个位置十分特殊:按照传统的地震波射线理论,这个距离本该只有两种穿越地核的信号到达,一种穿过内核,一种在内核表面反射,可实际记录里始终有一个更早出现的异常波形,没人能说清它的来历。

通过精细的波动模拟与有限频率敏感度计算,研究团队终于确认了这个信号的身份:它既不是穿过内核的波,也不是内核表面反弹的波,而是在外核中部发生了一次内部反射的全新震相,研究者将它命名为PKrKP。



这和常见的界面反射不同,这种反射不是因为碰到了固态分界面,而是液态外核里的波速梯度结构,加上地震波的有限频率效应共同造成的,就像水流绕过障碍会自然转弯,地震波也会在速度渐变的介质里,形成这种特殊的内部回波。

这个意外发现的新波,刚好成了监测外核变化的完美标尺。

它只在外核中浅层传播,路径高度稳定。

更重要的是,研究者可以用双差对比法剔除所有干扰:同一次核爆会产生两种地震波,一种PP波只在地幔内传播、经地表一次反射后到达台站,全程不接触地核;另一种就是PKrKP,进入外核并在中部反射后返回地面。

把两者的到达时间差拿来对比,就能剔除发震时刻误差、台站时钟漂移的影响;再加上配对的两次核试验位置极近,近源结构与地幔路径的影响几乎完全一致,最终剩下的时间差波动,就完全来自外核本身的速度变化。

依靠112组核试验配对数据,外核18年间的变化清晰浮现了出来:以1977年的波速为基准,1982到1983年,地震波穿过外核快了约0.1秒;1988到1990年,速度进一步加快,提前了0.15秒左右;可到了1995年,波速反而变慢,延迟了0.15到0.2秒。



零点几秒的差异,放在上万公里的传播路径上看似微不足道。

但它却藏着地核运动的关键信息:这些变化的时间尺度仅为2到5年,远比学界之前预估的几十年、上百年快得多。

这意味着液态外核绝不是一潭平静的铁水,而是在发生着极其剧烈的对流混合。



研究者推算,在南太平洋低纬度下方的外核浅层,存在着横向跨度超过700公里、厚度约100公里的物质异常区。

它可能是内核凝固时释放出的轻元素富集团,也可能是悬浮在液态金属里的细小固体颗粒。

这些团块随着外核对流四处漂移,当它们刚好经过地震波的传播路径时,就会让波速发生可观测的变化。



为了验证这个结论,研究团队还用另一种内核反射波PKiKP做了重复分析。

两种波进入外核的位置相差约700公里,却测出了高度一致的变化趋势,说明这些异常物质的规模很大,并非局部的微小扰动。

这个发现彻底刷新了人们对液态外核的认知。

在此之前,我们总觉得地核深处的变化都以万年为单位,缓慢而平稳。

可现在看来,外核对流的活跃程度远超想象,几年尺度就会出现明显的物质流动。

而外核的液态金属对流,正是地球磁场的天然发电机,这种快速的物质运动,很可能直接关系到地磁场的短期波动、地磁漂移,甚至影响磁场倒转的过程。

耐人寻味的是,支撑这项研究的核心数据,本是冷战军备竞赛的遗留物。

半个世纪前在太平洋环礁下炸开的震荡,穿越数千公里的地心,最终变成了人类理解这颗星球的钥匙。

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