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本報記者 趙覺珵 馬 俊

日前在知名學(xué)術(shù)期刊《自然·地球科學(xué)》發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文引發(fā)學(xué)界和媒體的廣泛關(guān)注。這篇由北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)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(nèi)核從20世紀(jì)70年代初開始相對于地表超速旋轉(zhuǎn)，到2009年左右基本與地表同步，進(jìn)而出現(xiàn)了相對于地表緩慢的反轉(zhuǎn)。這一研究還首次推測出地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)可能存在70年左右的擺動周期。當(dāng)前我們對地球內(nèi)核有哪些了解，了解地核又有何意義，科學(xué)家們?nèi)绾螌Φ睾诉M(jìn)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(jìn)行了專訪。

“地球內(nèi)核反轉(zhuǎn)”出乎人們想象

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

宋曉東長期致力于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)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(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)模式的變化，取得了關(guān)于地球內(nèi)核運(yùn)動的新突破。

但這個研究成果在互聯(lián)網(wǎng)上引起關(guān)注的同時，很多人在并不了解其真實科學(xué)意義的情況下，僅根據(jù)“地核反轉(zhuǎn)”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(zāi)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(nèi)核反轉(zhuǎn)”的科學(xué)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(zhuǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，在過去幾十年中，地球內(nèi)核相對于地表向東超速旋轉(zhuǎn)。該相對速度逐漸減慢，直到2009年左右，超速旋轉(zhuǎn)減緩至停滯，內(nèi)核與地表幾乎呈同步狀態(tài)。在此之后，內(nèi)核相對于地表向反方向、向西旋轉(zhuǎn)。

歷史數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)核的反轉(zhuǎn)似乎在20世紀(jì)70年代初也曾出現(xiàn)。因此，宋曉東研究團(tuán)隊推測，內(nèi)核旋轉(zhuǎn)相對于地表是震蕩的，根據(jù)20世紀(jì)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(nèi)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(zhuǎn)。宋曉東說，地球自轉(zhuǎn)不是勻速的，會發(fā)生微弱的變化?？茖W(xué)家已經(jīng)對此進(jìn)行了大量研究，了解到地表大氣、海洋等因素對于地球自轉(zhuǎn)的影響，但仍缺乏對地球內(nèi)部因素如何在長周期內(nèi)影響地球自轉(zhuǎn)等現(xiàn)象的認(rèn)識。

宋曉東告訴《環(huán)球時報》記者，目前科學(xué)家已經(jīng)觀測到地球自轉(zhuǎn)、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(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)與這些地球現(xiàn)象存在一定的關(guān)聯(lián)性，但不一定是因果關(guān)系。這種關(guān)聯(lián)性的機(jī)理目前也還不清楚。”

上述研究成果既是全球科學(xué)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(jié)果”，他對于地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的研究可以追溯至1996年。當(dāng)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(jìn)行觀測分析，正在進(jìn)行博士后研究的宋曉東發(fā)現(xiàn)，從震源發(fā)出后穿透內(nèi)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(chǎn)生的磁場對內(nèi)核施加的電磁力矩驅(qū)動內(nèi)核超速旋轉(zhuǎn)所致。

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

宋曉東向《環(huán)球時報》記者解釋稱，由于地幔和地球內(nèi)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(nèi)核，它就可以相對于地幔進(jìn)行轉(zhuǎn)動。1996年發(fā)表的研究成果正是對這一假設(shè)的驗證。

1996年的這項發(fā)現(xiàn)被國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》作為封面文章發(fā)表，并被《科學(xué)》雜志評為當(dāng)年十大科學(xué)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(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)模式的研究奠定了基礎(chǔ)。

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(nèi)部構(gòu)造的好奇心，受到國內(nèi)外的關(guān)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(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)是相對于地表而言的，這種相對運(yùn)動相比地球的自轉(zhuǎn)很微?。黄浯?，地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)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(nèi)核的旋轉(zhuǎn)變化同地震聯(lián)系在一起。同樣長期研究地震學(xué)的宋曉東說，地震是地球近地表的應(yīng)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(nèi)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(nèi)核的旋轉(zhuǎn)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(nèi)核的研究依然十分年輕。在100多年前的1906年，英國地質(zhì)學(xué)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(xué)家莫霍洛維奇發(fā)現(xiàn)，而內(nèi)核是1936年由丹麥女科學(xué)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(jì)90年代攻讀博士學(xué)位以來，科學(xué)家對于地球內(nèi)核的了解有著“非常了不起的進(jìn)步”，在內(nèi)核各向異性結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)、運(yùn)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(nèi)的科學(xué)家都有著巨大的吸引力。不僅如此，解密地球的深層結(jié)構(gòu)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(zhì)可能會展現(xiàn)出不同于常溫常壓的性質(zhì)和形態(tài)。中國科學(xué)院地球化學(xué)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(zhuǎn)變?yōu)槌x子態(tài)。該研究也表明，地球內(nèi)核可能并非傳統(tǒng)認(rèn)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(nèi)部演化存在緊密的關(guān)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(hù)作用，能夠?qū)⑻柫Ｗ幼钃踉诖艑油饷妗?/p>

他還補(bǔ)充表示，很多研究行星物理的科學(xué)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(jìn)觀測手段

一直以來，由于直接采樣的困難，科學(xué)家對于地球深層結(jié)構(gòu)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(guān)于地球內(nèi)核的知識都是間接的，很大程度上依賴于地震學(xué)。地震發(fā)生后，地震波在地球內(nèi)部的傳播，取決于它們通過的物質(zhì)介質(zhì)性質(zhì)。地球物理學(xué)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(dāng)于探測地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡。

宋曉東也對《環(huán)球時報》記者介紹稱，地震學(xué)是研究地核的主要觀測手段。此外，研究地球深層構(gòu)造還可以通過理論手段、實驗和計算機(jī)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(zhì)，地核主要是鐵鎳合金?；诘厍蚍之惖难莼⒉煌瑴囟群蛪毫ο挛镔|(zhì)的變化以及第一性原理，可以對地核進(jìn)行一些理論上的預(yù)測和計算。

此外，實驗室內(nèi)已經(jīng)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(jìn)行加熱。通過此類實驗，科學(xué)家得以研究不同物質(zhì)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(nèi)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(xué)家提出過更加“瘋狂”的想法。加州理工大學(xué)的科學(xué)家戴夫·史蒂文森曾設(shè)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(yù)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(shè)想經(jīng)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(gòu)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屑で椤⒂袎粝搿保螘詵|表示，說不定未來會發(fā)明出一種合成物質(zhì)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。”▲