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本報記者 趙覺珵 馬 俊

日前在知名學術期刊《自然·地球科學》發(fā)表的一篇學術論文引發(fā)學界和媒體的廣泛關注。這篇由北京大學地球與空間科學學院宋曉東講席教授作為通訊作者、該院特聘副研究員楊翼博士作為第一作者的論文發(fā)現(xiàn)，地球內核從20世紀70年代初開始相對于地表超速旋轉，到2009年左右基本與地表同步，進而出現(xiàn)了相對于地表緩慢的反轉。這一研究還首次推測出地球內核差速旋轉可能存在70年左右的擺動周期。當前我們對地球內核有哪些了解，了解地核又有何意義，科學家們如何對地核進行研究？對于這些問題，《環(huán)球時報》記者近日對宋曉東教授進行了專訪。

“地球內核反轉”出乎人們想象

現(xiàn)代科學界普遍認同的觀點是，地球平均半徑約6370公里，內部結構分為地殼、地幔和地核三部分，而地核又由固態(tài)內核及其外層的液態(tài)外核共同組成，但整體而言，科學家對于地球深處的了解依然十分有限，最深處的地球內核更像是一個“遙遠的星球”，它的物質構成、運動規(guī)律等都有待明確。

宋曉東長期致力于地球內部結構的研究，他與楊翼博士此次發(fā)表的研究成果，是長期研究積累的結果。他們利用所有能得到的近六十年來的數(shù)據(jù)，揭示了地球內核差速旋轉模式的變化，取得了關于地球內核運動的新突破。

但這個研究成果在互聯(lián)網上引起關注的同時，很多人在并不了解其真實科學意義的情況下，僅根據(jù)“地核反轉”這個名詞，就開始猜測，甚至將它與近期的土耳其大地震、全球變暖趨勢以及其他各種災難性事件聯(lián)系到一起。

宋曉東向《環(huán)球時報》記者介紹稱，“地球內核反轉”的科學含義其實與很多人的字面理解并不一樣，它是指相對于地表的旋轉。研究發(fā)現(xiàn)，在過去幾十年中，地球內核相對于地表向東超速旋轉。該相對速度逐漸減慢，直到2009年左右，超速旋轉減緩至停滯，內核與地表幾乎呈同步狀態(tài)。在此之后，內核相對于地表向反方向、向西旋轉。

歷史數(shù)據(jù)顯示，內核的反轉似乎在20世紀70年代初也曾出現(xiàn)。因此，宋曉東研究團隊推測，內核旋轉相對于地表是震蕩的，根據(jù)20世紀70年代初和2009年兩個時間節(jié)點計算，這一震蕩周期大約是六七十年。

除上述發(fā)現(xiàn)外，這一研究也顯示出地球內部變化對于其他地球現(xiàn)象的影響，例如地球磁場、地球自轉。宋曉東說，地球自轉不是勻速的，會發(fā)生微弱的變化?？茖W家已經對此進行了大量研究，了解到地表大氣、海洋等因素對于地球自轉的影響，但仍缺乏對地球內部因素如何在長周期內影響地球自轉等現(xiàn)象的認識。

宋曉東告訴《環(huán)球時報》記者，目前科學家已經觀測到地球自轉、磁場、海平面變化和氣候變化等都存在六七十年的周期，“這代表著地球內核的差速旋轉與這些地球現(xiàn)象存在一定的關聯(lián)性，但不一定是因果關系。這種關聯(lián)性的機理目前也還不清楚?！?/p>

上述研究成果既是全球科學家們長期觀測數(shù)據(jù)的“厚積薄發(fā)”，也是宋曉東二十多年來持續(xù)研究的“開花結果”，他對于地球內核旋轉的研究可以追溯至1996年。當時，通過對同一區(qū)域的地震傳遞到地表同一臺站的地震波進行觀測分析，正在進行博士后研究的宋曉東發(fā)現(xiàn)，從震源發(fā)出后穿透內核傳播到臺站的地震波的走時隨發(fā)震時間發(fā)生了系統(tǒng)變化。這一現(xiàn)象可以被解釋為地球外核產生的磁場對內核施加的電磁力矩驅動內核超速旋轉所致。

這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認知，即地球是一個整體，其所有圈層的旋轉保持同步，宋曉東和合作者、美國地震學家保羅·理查茲也成為最早發(fā)現(xiàn)地球內核可能以不同于地表的速度旋轉的科學家。

宋曉東向《環(huán)球時報》記者解釋稱，由于地幔和地球內核兩個固態(tài)圈層被中間的液態(tài)外核所隔開，從理論上講，如果有一個力矩作用在內核，它就可以相對于地幔進行轉動。1996年發(fā)表的研究成果正是對這一假設的驗證。

1996年的這項發(fā)現(xiàn)被國際知名學術期刊《自然》作為封面文章發(fā)表，并被《科學》雜志評為當年十大科學突破之一，受到世界媒體廣泛報道，還登上了美國《紐約時報》的頭版頭條，它也為此次地球內核差速旋轉模式的研究奠定了基礎。

研究“深地”對了解生命有特殊意義

今年年初發(fā)表的這篇論文所呈現(xiàn)出的突破性以及人們對地球內部構造的好奇心，受到國內外的關注。在接受《環(huán)球時報》記者采訪時，宋曉東專門澄清了多個概念：首先，地球內核的差速旋轉是相對于地表而言的，這種相對運動相比地球的自轉很微??；其次，地球內核的差速旋轉對于地震、海嘯等自然現(xiàn)象影響也非常小。

由于論文的發(fā)表與今年2月土耳其發(fā)生的大地震相隔不到一個月，一些分析也將地球內核的旋轉變化同地震聯(lián)系在一起。同樣長期研究地震學的宋曉東說，地震是地球近地表的應力積累和重新分布造成的現(xiàn)象，受多種作用力影響。雖然地球內核有一定的作用力，但相對于其他作用力而言，并不是一個主要影響因素。

宋曉東坦言，地球內核的旋轉變化對于人類的日常生活鮮有影響，但地核作為深部地球整體的一部分，對地球宜居性的長期演化和影響是不可忽視的。我國也越來越重視“深地”方面的研究，并把地球作為一個整體系統(tǒng)來研究。事實上，對于地球內核的研究依然十分年輕。在100多年前的1906年，英國地質學家理查德·奧爾德姆才首次發(fā)現(xiàn)了地核的存在。地殼和地幔之間的界面（“莫霍面”）是1909年由克羅地亞科學家莫霍洛維奇發(fā)現(xiàn)，而內核是1936年由丹麥女科學家萊曼發(fā)現(xiàn)。

宋曉東告訴《環(huán)球時報》記者，從他在上世紀90年代攻讀博士學位以來，科學家對于地球內核的了解有著“非常了不起的進步”，在內核各向異性結構、分層結構、運動模式等方面都有一系列成果出現(xiàn)。

探索人類家園最深處的奧秘，對于包括宋曉東在內的科學家都有著巨大的吸引力。不僅如此，解密地球的深層結構對于了解生命、了解宇宙都有著獨特的意義。

地球中心到地表的距離約為6300多公里，這里的溫度超過5000攝氏度，壓力超過300萬個大氣壓。在高溫高壓的極端環(huán)境下，物質可能會展現(xiàn)出不同于常溫常壓的性質和形態(tài)。中國科學院地球化學研究所去年在《自然》雜志發(fā)表的一篇論文顯示，在地球核心的溫度和壓力下，多種鐵合金將轉變?yōu)槌x子態(tài)。該研究也表明，地球內核可能并非傳統(tǒng)認知的固態(tài)，而是由固態(tài)鐵和流動的輕元素組成的超離子態(tài)。

宋曉東說，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沒有海洋，海洋的形成與地球內部演化存在緊密的關聯(lián)。此外，地球的磁場也不是固有和不變的，地球的液態(tài)外核是流動的且與地球磁場相互作用，影響了磁場的演化。而地球磁場對于地球起到了一種保護作用，能夠將太陽粒子阻擋在磁層外面。

他還補充表示，很多研究行星物理的科學家也對地球本身很感興趣，研究地球本身就是了解行星的重要手段。

探索地球深處需更先進觀測手段

一直以來，由于直接采樣的困難，科學家對于地球深層結構的了解受限于觀測手段的發(fā)展。英國廣播公司此前發(fā)布的一篇科普文章曾介紹稱，人類關于地球內核的知識都是間接的，很大程度上依賴于地震學。地震發(fā)生后，地震波在地球內部的傳播，取決于它們通過的物質介質性質。地球物理學家利用這些信息來推斷地核處存在什么，他們的地震儀相當于探測地球內部的望遠鏡。

宋曉東也對《環(huán)球時報》記者介紹稱，地震學是研究地核的主要觀測手段。此外，研究地球深層構造還可以通過理論手段、實驗和計算機模擬來實現(xiàn)。

宋曉東說，地球不同圈層有著不同的組分分異，例如地幔大部分是硅鋁質，地核主要是鐵鎳合金。基于地球分異的演化、不同溫度和壓力下物質的變化以及第一性原理，可以對地核進行一些理論上的預測和計算。

此外，實驗室內已經可以模擬地核的高溫高壓狀態(tài)，高壓通過金剛石壓砧實現(xiàn)，激光則可以進行加熱。通過此類實驗，科學家得以研究不同物質在高溫高壓下的狀態(tài)、是否發(fā)生相變等問題。

在過去幾十年中，不少人也曾嘗試過鉆井取樣，其中以蘇聯(lián)在科拉半島鉆下的超12公里深井最為知名。宋曉東告訴《環(huán)球時報》記者，鉆孔對于研究地球淺層有著重要意義，但它的缺點也很明顯：昂貴且無法鉆深。他表示，鉆孔內也可以布置一些儀器，由于環(huán)境比較安靜，接收到的地震波信號會更好。

也有科學家提出過更加“瘋狂”的想法。加州理工大學的科學家戴夫·史蒂文森曾設想一種實現(xiàn)“地心之旅”的方式：在地球上制造一條長數(shù)百米的裂縫，將幾十萬甚至數(shù)百萬噸的鐵水倒入其中，利用這些鐵的重力讓裂縫不斷向下延伸，預計可以將探測器送至地下3000公里處以收集數(shù)據(jù)。雖然史蒂文森的設想經過了一些論證，但目前仍是一個幻想。

宋曉東說，人們對地球深層構造的了解受限于現(xiàn)階段的科技水平和視野，很難想象未來是否能有新的探測手段和新的科研突破?！暗祟愋枰屑で?、有夢想”，宋曉東表示，說不定未來會發(fā)明出一種合成物質能夠承受地球深層的高溫高壓，“這種自我反省和對夢想的不斷追求是人類作為高級生命的獨特之處?！薄?/p>