【環(huán)球時(shí)報(bào)報(bào)道 記者 趙覺(jué)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(kāi)始相對(duì)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(duì)于地表緩慢的反轉(zhuǎn)。這一研究還首次推測(cè)出地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)可能存在70年左右的擺動(dòng)周期。當(dāng)前我們對(duì)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?duì)地核進(jìn)行研究？對(duì)于這些問(wèn)題，《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者近日對(duì)宋曉東教授進(jìn)行了專訪。

【資料圖】

“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(diǎn)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(duì)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(gè)“遙遠(yuǎn)的星球”，它的物質(zhì)構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等都有待明確。

宋曉東長(zhǎng)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(zhǎng)期研究積累的結(jié)果。他們利用所有能得到的近六十年來(lái)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(dòng)的新突破。

但這個(gè)研究成果在互聯(lián)網(wǎng)上引起關(guān)注的同時(shí)，很多人在并不了解其真實(shí)科學(xué)意義的情況下，僅根據(jù)“地核反轉(zhuǎn)”這個(gè)名詞，就開(kāi)始猜測(cè)，甚至將它與近期的土耳其大地震、全球變暖趨勢(shì)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(shí)報(bào)》記者介紹稱，“地球內(nèi)核反轉(zhuǎn)”的科學(xué)含義其實(shí)與很多人的字面理解并不一樣，它是指相對(duì)于地表的旋轉(zhuǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去幾十年中，地球內(nèi)核相對(duì)于地表向東超速旋轉(zhuǎn)。該相對(duì)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(duì)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(duì)推測(cè)，內(nèi)核旋轉(zhuǎn)相對(duì)于地表是震蕩的，根據(jù)20世紀(jì)70年代初和2009年兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)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(duì)于其他地球現(xiàn)象的影響，例如地球磁場(chǎng)、地球自轉(zhuǎn)。宋曉東說(shuō)，地球自轉(zhuǎn)不是勻速的，會(huì)發(fā)生微弱的變化?？茖W(xué)家已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了大量研究，了解到地表大氣、海洋等因素對(duì)于地球自轉(zhuǎn)的影響，但仍缺乏對(duì)地球內(nèi)部因素如何在長(zhǎng)周期內(nèi)影響地球自轉(zhuǎn)等現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。

宋曉東告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，目前科學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到地球自轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)、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?！?/p>

上述研究成果既是全球科學(xué)家們長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的“厚積薄發(fā)”，也是宋曉東二十多年來(lái)持續(xù)研究的“開(kāi)花結(jié)果”，他對(duì)于地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的研究可以追溯至1996年。當(dāng)時(shí)，通過(guò)對(duì)同一區(qū)域的地震傳遞到地表同一臺(tái)站的地震波進(jìn)行觀測(cè)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(tái)站的地震波的走時(shí)隨發(fā)震時(shí)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(chǎng)對(duì)內(nèi)核施加的電磁力矩驅(qū)動(dòng)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(gè)整體，其所有圈層的旋轉(zhuǎn)保持同步，宋曉東和合作者、美國(guó)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(shí)報(bào)》記者解釋稱，由于地幔和地球內(nèi)核兩個(gè)固態(tài)圈層被中間的液態(tài)外核所隔開(kāi)，從理論上講，如果有一個(gè)力矩作用在內(nèi)核，它就可以相對(duì)于地幔進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。1996年發(fā)表的研究成果正是對(duì)這一假設(shè)的驗(yàn)證。

1996年的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)被國(guó)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(píng)為當(dāng)年十大科學(xué)突破之一，受到世界媒體廣泛報(bào)道，還登上了美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》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(duì)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(duì)地球內(nèi)部構(gòu)造的好奇心，受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)，宋曉東專門澄清了多個(gè)概念：首先，地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)是相對(duì)于地表而言的，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)相比地球的自轉(zhuǎn)很微?。黄浯?，地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)對(duì)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(gè)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(zhǎng)期研究地震學(xué)的宋曉東說(shuō)，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(duì)于其他作用力而言，并不是一個(gè)主要影響因素。

宋曉東坦言，地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)變化對(duì)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(duì)地球宜居性的長(zhǎng)期演化和影響是不可忽視的。我國(guó)也越來(lái)越重視“深地”方面的研究，并把地球作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)研究。事實(shí)上，對(duì)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(guó)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(shí)報(bào)》記者，從他在上世紀(jì)90年代攻讀博士學(xué)位以來(lái)，科學(xué)家對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)于了解生命、了解宇宙都有著獨(dú)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(guò)5000攝氏度，壓力超過(guò)300萬(wàn)個(gè)大氣壓。在高溫高壓的極端環(huán)境下，物質(zhì)可能會(huì)展現(xiàn)出不同于常溫常壓的性質(zhì)和形態(tài)。中國(guó)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(dòng)的輕元素組成的超離子態(tài)。

宋曉東說(shuō)，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(méi)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(chǎng)也不是固有和不變的，地球的液態(tài)外核是流動(dòng)的且與地球磁場(chǎng)相互作用，影響了磁場(chǎng)的演化。而地球磁場(chǎng)對(duì)于地球起到了一種保護(hù)作用，能夠?qū)⑻?yáng)粒子阻擋在磁層外面。

他還補(bǔ)充表示，很多研究行星物理的科學(xué)家也對(duì)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(cè)手段

一直以來(lái)，由于直接采樣的困難，科學(xué)家對(duì)于地球深層結(jié)構(gòu)的了解受限于觀測(cè)手段的發(fā)展。英國(guó)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(shí)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(guò)的物質(zhì)介質(zhì)性質(zhì)。地球物理學(xué)家利用這些信息來(lái)推斷地核處存在什么，他們的地震儀相當(dāng)于探測(cè)地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡。

宋曉東也對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者介紹稱，地震學(xué)是研究地核的主要觀測(cè)手段。此外，研究地球深層構(gòu)造還可以通過(guò)理論手段、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。

宋曉東說(shuō)，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(duì)地核進(jìn)行一些理論上的預(yù)測(cè)和計(jì)算。

此外，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)可以模擬地核的高溫高壓狀態(tài)，高壓通過(guò)金剛石壓砧實(shí)現(xiàn)，激光則可以進(jìn)行加熱。通過(guò)此類實(shí)驗(yàn)，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(wèn)題。

在過(guò)去幾十年中，不少人也曾嘗試過(guò)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(shí)報(bào)》記者，鉆孔對(duì)于研究地球淺層有著重要意義，但它的缺點(diǎn)也很明顯：昂貴且無(wú)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(hào)會(huì)更好。

也有科學(xué)家提出過(guò)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(shí)現(xiàn)“地心之旅”的方式：在地球上制造一條長(zhǎng)數(shù)百米的裂縫，將幾十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)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(jì)可以將探測(cè)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(guò)了一些論證，但目前仍是一個(gè)幻想。

宋曉東說(shuō)，人們對(duì)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(lái)是否能有新的探測(cè)手段和新的科研突破?！暗祟愋枰屑で?、有夢(mèng)想”，宋曉東表示，說(shuō)不定未來(lái)會(huì)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(duì)夢(mèng)想的不斷追求是人類作為高級(jí)生命的獨(dú)特之處?！?/p>

關(guān)鍵詞：