“地球内核反转”影响有多大

本报记者 赵觉珵 马 俊

日前在知名学术期刊《自然·地球科学》发表的一篇学术论文引发学界和媒体的广泛关注。这篇由北京大学地球与空间科学学院宋晓东讲席教授作为通讯作者、该院特聘副研究员杨翼博士作为第一作者的论文发现，地球内核从20世纪70年代初开始相对于地表超速旋转，到2009年左右基本与地表同步，进而出现了相对于地表缓慢的反转。这一研究还首次推测出地球内核差速旋转可能存在70年左右的摆动周期。当前我们对地球内核有哪些了解，了解地核又有何意义，科学家们如何对地核进行研究？对于这些问题，《环球时报》记者近日对宋晓东教授进行了专访。

“地球内核反转”出乎人们想象

现代科学界普遍认同的观点是，地球平均半径约6370公里，内部结构分为地壳、地幔和地核三部分，而地核又由固态内核及其外层的液态外核共同组成，但整体而言，科学家对于地球深处的了解依然十分有限，最深处的地球内核更像是一个“遥远的星球”，它的物质构成、运动规律等都有待明确。

宋晓东长期致力于地球内部结构的研究，他与杨翼博士此次发表的研究成果，是长期研究积累的结果。他们利用所有能得到的近六十年来的数据，揭示了地球内核差速旋转模式的变化，取得了关于地球内核运动的新突破。

但这个研究成果在互联网上引起关注的同时，很多人在并不了解其真实科学意义的情况下，仅根据“地核反转”这个名词，就开始猜测，甚至将它与近期的土耳其大地震、全球变暖趋势以及其他各种灾难性事件联系到一起。

宋晓东向《环球时报》记者介绍称，“地球内核反转”的科学含义其实与很多人的字面理解并不一样，它是指相对于地表的旋转。研究发现，在过去几十年中，地球内核相对于地表向东超速旋转。该相对速度逐渐减慢，直到2009年左右，超速旋转减缓至停滞，内核与地表几乎呈同步状态。在此之后，内核相对于地表向反方向、向西旋转。

历史数据显示，内核的反转似乎在20世纪70年代初也曾出现。因此，宋晓东研究团队推测，内核旋转相对于地表是震荡的，根据20世纪70年代初和2009年两个时间节点计算，这一震荡周期大约是六七十年。

除上述发现外，这一研究也显示出地球内部变化对于其他地球现象的影响，例如地球磁场、地球自转。宋晓东说，地球自转不是匀速的，会发生微弱的变化。科学家已经对此进行了大量研究，了解到地表大气、海洋等因素对于地球自转的影响，但仍缺乏对地球内部因素如何在长周期内影响地球自转等现象的认识。

宋晓东告诉《环球时报》记者，目前科学家已经观测到地球自转、磁场、海平面变化和气候变化等都存在六七十年的周期，“这代表着地球内核的差速旋转与这些地球现象存在一定的关联性，但不一定是因果关系。这种关联性的机理目前也还不清楚。”

上述研究成果既是全球科学家们长期观测数据的“厚积薄发”，也是宋晓东二十多年来持续研究的“开花结果”，他对于地球内核旋转的研究可以追溯至1996年。当时，通过对同一区域的地震传递到地表同一台站的地震波进行观测分析，正在进行博士后研究的宋晓东发现，从震源发出后穿透内核传播到台站的地震波的走时随发震时间发生了系统变化。这一现象可以被解释为地球外核产生的磁场对内核施加的电磁力矩驱动内核超速旋转所致。

这一发现挑战了传统认知，即地球是一个整体，其所有圈层的旋转保持同步，宋晓东和合作者、美国地震学家保罗·理查兹也成为最早发现地球内核可能以不同于地表的速度旋转的科学家。

宋晓东向《环球时报》记者解释称，由于地幔和地球内核两个固态圈层被中间的液态外核所隔开，从理论上讲，如果有一个力矩作用在内核，它就可以相对于地幔进行转动。1996年发表的研究成果正是对这一假设的验证。

1996年的这项发现被国际知名学术期刊《自然》作为封面文章发表，并被《科学》杂志评为当年十大科学突破之一，受到世界媒体广泛报道，还登上了美国《纽约时报》的头版头条，它也为此次地球内核差速旋转模式的研究奠定了基础。

研究“深地”对了解生命有特殊意义

今年年初发表的这篇论文所呈现出的突破性以及人们对地球内部构造的好奇心，受到国内外的关注。在接受《环球时报》记者采访时，宋晓东专门澄清了多个概念：首先，地球内核的差速旋转是相对于地表而言的，这种相对运动相比地球的自转很微小；其次，地球内核的差速旋转对于地震、海啸等自然现象影响也非常小。

由于论文的发表与今年2月土耳其发生的大地震相隔不到一个月，一些分析也将地球内核的旋转变化同地震联系在一起。同样长期研究地震学的宋晓东说，地震是地球近地表的应力积累和重新分布造成的现象，受多种作用力影响。虽然地球内核有一定的作用力，但相对于其他作用力而言，并不是一个主要影响因素。

宋晓东坦言，地球内核的旋转变化对于人类的日常生活鲜有影响，但地核作为深部地球整体的一部分，对地球宜居性的长期演化和影响是不可忽视的。我国也越来越重视“深地”方面的研究，并把地球作为一个整体系统来研究。事实上，对于地球内核的研究依然十分年轻。在100多年前的1906年，英国地质学家理查德·奥尔德姆才首次发现了地核的存在。地壳和地幔之间的界面（“莫霍面”）是1909年由克罗地亚科学家莫霍洛维奇发现，而内核是1936年由丹麦女科学家莱曼发现。

宋晓东告诉《环球时报》记者，从他在上世纪90年代攻读博士学位以来，科学家对于地球内核的了解有着“非常了不起的进步”，在内核各向异性结构、分层结构、运动模式等方面都有一系列成果出现。

探索人类家园最深处的奥秘，对于包括宋晓东在内的科学家都有着巨大的吸引力。不仅如此，解密地球的深层结构对于了解生命、了解宇宙都有着独特的意义。

地球中心到地表的距离约为6300多公里，这里的温度超过5000摄氏度，压力超过300万个大气压。在高温高压的极端环境下，物质可能会展现出不同于常温常压的性质和形态。中国科学院地球化学研究所去年在《自然》杂志发表的一篇论文显示，在地球核心的温度和压力下，多种铁合金将转变为超离子态。该研究也表明，地球内核可能并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

宋晓东说，研究地核也有助于研究地球生命的起源。水是生命不可缺少的元素，但地球在形成早期并没有海洋，海洋的形成与地球内部演化存在紧密的关联。此外，地球的磁场也不是固有和不变的，地球的液态外核是流动的且与地球磁场相互作用，影响了磁场的演化。而地球磁场对于地球起到了一种保护作用，能够将太阳粒子阻挡在磁层外面。

他还补充表示，很多研究行星物理的科学家也对地球本身很感兴趣，研究地球本身就是了解行星的重要手段。

探索地球深处需更先进观测手段

一直以来，由于直接采样的困难，科学家对于地球深层结构的了解受限于观测手段的发展。英国广播公司此前发布的一篇科普文章曾介绍称，人类关于地球内核的知识都是间接的，很大程度上依赖于地震学。地震发生后，地震波在地球内部的传播，取决于它们通过的物质介质性质。地球物理学家利用这些信息来推断地核处存在什么，他们的地震仪相当于探测地球内部的望远镜。

宋晓东也对《环球时报》记者介绍称，地震学是研究地核的主要观测手段。此外，研究地球深层构造还可以通过理论手段、实验和计算机模拟来实现。

宋晓东说，地球不同圈层有着不同的组分分异，例如地幔大部分是硅铝质，地核主要是铁镍合金。基于地球分异的演化、不同温度和压力下物质的变化以及第一性原理，可以对地核进行一些理论上的预测和计算。

此外，实验室内已经可以模拟地核的高温高压状态，高压通过金刚石压砧实现，激光则可以进行加热。通过此类实验，科学家得以研究不同物质在高温高压下的状态、是否发生相变等问题。

在过去几十年中，不少人也曾尝试过钻井取样，其中以苏联在科拉半岛钻下的超12公里深井最为知名。宋晓东告诉《环球时报》记者，钻孔对于研究地球浅层有着重要意义，但它的缺点也很明显：昂贵且无法钻深。他表示，钻孔内也可以布置一些仪器，由于环境比较安静，接收到的地震波信号会更好。

也有科学家提出过更加“疯狂”的想法。加州理工大学的科学家戴夫·史蒂文森曾设想一种实现“地心之旅”的方式：在地球上制造一条长数百米的裂缝，将几十万甚至数百万吨的铁水倒入其中，利用这些铁的重力让裂缝不断向下延伸，预计可以将探测器送至地下3000公里处以收集数据。虽然史蒂文森的设想经过了一些论证，但目前仍是一个幻想。

宋晓东说，人们对地球深层构造的了解受限于现阶段的科技水平和视野，很难想象未来是否能有新的探测手段和新的科研突破。“但人类需要有激情、有梦想”，宋晓东表示，说不定未来会发明出一种合成物质能够承受地球深层的高温高压，“这种自我反省和对梦想的不断追求是人类作为高级生命的独特之处。”▲