地球核心的凝固與熔融

過去一、二十年以來,地震學家對於內地核傳遞地震波速度的差異,所反映出內地核東西與南北方向顯著不同的物理性質感到困惑。在最新的實驗與數值模擬結果中,推導出一個在東西方向上持續進行凝固與熔融作用的內地核(圖一),可以解釋過去地震學上所觀測到的結果。


圖一 內地核凝固、熔融與移動的示意圖。由於外地核(Outer core)物質的流動,導致鐵在內地核(Inner core)西側凝固(Solidification),凝固時其餘較輕的元素(lighter elements)被排出(綠色箭頭)。內地核西側凝固造成內地核質心與地球質心位置的偏移,使得內地核向東移動(Translation,黑色箭頭)。由於內地核向東移動,內地核東側進入深度較淺、壓力較小的地區,因此產生熔融。

我們知道由於越往地球中心壓力越大,提高了地核物質熔融所需要的溫度,使得地心附近溫度不足以熔融地核的物質,因而形成了一個固態的內地核,被包圍在液態的外地核之中。再加上地球的溫度持續下降,使得組成外地核的合金中,密度較大的鐵會漸漸凝固在內地核表面。如此一來,在與內地核交界處的外地核底部,理應留下一層密度較小的液體,但是根據地震波速度的觀測結果卻顯示,這裡有一層密度很大的液體存在。

除此之外,過去地震學家還發現地震波在內地核的南北方向上傳遞速度較快,在東西方向上的速度則是較慢。而且內地核的東西兩側並不對稱,東側內地核傳遞地震波的速度較快,地震波能量衰減的程度較大,且物質特性較為均一(不均向性較小)。這有可能是肇因於鐵分子結晶構造的差異,也有可能是內地核的東西兩側構造本來就不對稱。但是這個問題過去一直都沒有定論。

為了解決這些困惑,法國里昂大學的科學家Alboussière等人,在最新一期的自然期刊上發表了最新的實驗結果與數值模擬。他們利用注入不同密度的鹽水,觀察鹽水槽中密度的變化與分布。搭配內地核凝固與融化的動態模型數值模擬,推導出內地核的變動情形,最後得到了一個相當令人難以想像的場景。

在地球的中心,外地核的地層,一股密度較大的液體擾動發生在內地核表層的西側,凝固成為新的內地核。由於重力作用的關係,由於內地核的西側增加了質量,整個內地核於是開始往東邊移動。當內地核往東移動時,東側固體的內地核物質相當於來到距離地表較近,壓力較小的地區;因此內地核東側物質的融點降低,產生了熔融的作用,形成一層密度較大的液體。

根據計算,內地核往東邊移動的速度大約是每年1.5公分。大約一億年後,整個內地核就和今天完全不同了。相較於內地核目前的大小(半徑約一千兩百公里)和年紀(約十億年)相比,內地核東西方向上的凝固與熔融速度大約快了數十倍。而當內地核在東西兩側進行凝固與熔融作用的同時,它所造成外地核的物質對流作用,則是產生地球磁場的主要原因。

截至目前為止,這仍然只是一個相當簡單的模擬。作者希望在未來能夠繼續探討地核中的這個物質對流作用,是否會間接影響到地核之上的地函底部?又或者地函內的物質運動是否會回過頭來影響地核內部?如此一來,才能讓我們對地球整體的運作,有更完整的認識。

原始論文:
Bergman M. I., 2010, Earth science: An inner core slip-sliding away, Nature, 466, 697–698.
Alboussière et al., 2010, Melting-induced stratification above the Earth’s inner core due to convective translation, Nature, 466, 744–747.

參考來源:
Nature: Melting-induced core anomalies
Earth science: An inner core slip-sliding away
Melting-induced stratification above the Earth’s inner core due to convective translation

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