【認識地球核心的問題】 來源：科學雜誌

科學家：地球的固態內核本不應該存在

地球核心由內核和外核組成，內核是固態的鐵鎳合金，厚度約為1200公里；而外核是液態的鐵鎳核心，厚度約為2200公里。長久以來，地質學家認為，地球的內核大約在10億年前形成。由於溫度下降，當時地球中心的熔融液態金屬開始自發地快速結晶生長，一直達到現在半徑約為1200千米的範圍。不過，最近一項研究提出了“地球內核的成核悖論”，表明此前有關地球內核的形成理論存在矛盾。

地球內核的成核悖論

在過去80多年來，科學家已經知道，一個結晶的地球內核是存在的。但凱斯西儲大學的科學家指出，這種被廣泛接受的觀點忽略了一個關鍵點，只要考慮到這個關鍵點，就會暗示地球內核不應該存在。

眾所周知，在一定壓強下，物質的溫度必須小於等於它的凝固點溫度才能保持固態。但事實證明，最初從液態金屬中形成晶體時需要額外的能量。這種額外的能量就是成核能壘，只有克服這種能壘，液體才有可能結晶。然而，最初有關地球內核的形成模型卻沒有考慮到這一因素。

為了克服成核能壘來形成晶體，液體的溫度需要低於凝固點，形成“過冷”的狀態。或者在液體中加入一些其他物質，使其成為成核點，這樣可以降低成核能壘，從而更容易結晶。

該研究的主要作者之一Steven Hauck教授表示：“此前，包括我們在內的所有人似乎都忽略了這個大問題——液態金屬不會立即開始結晶，除非有什麼東西能夠大幅降低能量位壘。”

然而，在地球中心的巨大壓力下，金屬的成核能壘相當高。內核的溫度高達5700開氏度，壓力則高達地球大氣壓的300多萬倍。在這種高壓下，為了使內核結晶，需要使液態金屬的溫度低於凝固點（或者熔融溫度）多達1000度。如果地球中心達到了這個溫度，那麼幾乎整個地核都應該迅速結晶，但實際上卻沒有。事實上，地球的溫度每10億年才降低100度，所以不可能出現1000度的大幅降溫。

因此，如果地核是均相液體，那麼，固態的內核就應該不存在，因為它不能過冷到這種程度。那麼，如果地核不是均相液體，它又是如何演變成這樣的呢？這就是地球內核的成核悖論。

地球固態內核的可能形成原因

如上所述，液體結晶要麼需要過冷，要麼需要成核劑，前者在地核中是不可能的，只有後者才是有可能的。研究團隊認為，大塊的固體金屬從地核上方的地幔中慢慢掉下來，進入液態地核以降低成核能壘，從而引發結晶。不過，這需要一塊大如一座大型城市的金屬塊，只有足夠大的重量才能穿過地幔，進入地核，使其成為成核點，而不會完全熔化。

對此，另一位科學家Van Orman教授表示：『如果真的是這樣，我們需要弄清楚這到底是怎麼發生的。此外，行星核心中是否存在一些我們此前所未曾想到過的一般特徵，可以使其克服成核能壘？固態的地球內核是存在的，現在我們要弄清楚它究竟是如何形成的。』

我們是否誤解了地球的固體中心是如何形成的?

人們普遍認為，地球的內核大約是在10億年前形成的，那時一個固態的、超高溫的鐵塊在地球中心的一個4200英里寬的液態金屬球內開始結晶。

一個問題是:這是不可能的——或者，至少，從來都不容易解釋——根據一篇發表在《地球和行星科學》上的論文，來自一組來自西儲大學的科學家。

博士後學生Ludovic Huguet的研究團隊;地球、環境和行星科學教授詹姆斯·范·奧曼和史蒂芬·哈薩克二世;材料科學和工程學教授馬修·威爾拉德把這個謎團稱為“核心的核悖論”。

這個悖論是這樣的:科學家已經知道了80多年來，一個結晶的內核存在。但是，西方國家儲備小組斷言，這種被廣泛接受的觀點忽略了一個關鍵的點——一旦加入，就會表明內在核心不應該存在。

核心矛盾

原因如下:眾所周知，材料必須處於或低於其凍結溫度的固態，但事實證明，從液體中製造出第一個晶體需要額外的能量。這種額外的能量——成核的屏障——是迄今為止地球最深層的內部模型所不包括的成分。

然而，為了克服核障礙並開始凝固，液體必須在冰點以下冷卻，科學家稱之為“超級冷卻”。

或者，不同的東西必須被添加到核心的液態金屬- - -在行星的中心- - -這大大減少了需要的超冷卻的數量。

但在地球中心的巨大壓力下，金屬的成核障礙是巨大的。

“每個人，包括我們自己在內，似乎都忽略了這個大問題——金屬不會立即結晶，除非有什麼東西降低了能量屏障，”Hauck說。

凱斯西儲小組認為最明顯的解決辦法是:

“內部核在某種程度上受到了大約1800華氏度(1000開爾文)的巨大冷卻，遠遠超出了科學家們得出的結論。”如果地球中心達到這個溫度，幾乎整個核心都應該迅速結晶，但證據表明它不是。

“發生了一件事，降低了成核障礙，使結晶發生在更高的溫度。在實驗室裏，科學家們通過將一塊固體金屬添加到一個稍微過冷的液態金屬中，從而導致現在不均勻的材料快速凝固。Huguet說，但是很難想像這是如何發生的，一個核增強固體如何能夠到達地球的中心，從而使內核的硬化(和膨脹)得以實現。

“所以，如果核心是純(均質)液體，內核根本就不應該存在，因為它不可能被過度冷卻到那個程度，”Van Orman說。“如果它不是齊次的，它怎麼會變成這樣?”

“這就是核心的核悖論。”

可能的答案

那麼固體內核是如何形成的呢?

目前，這個團隊的想法與上面的第二個解決方案類似:大量的固體金屬慢慢地從岩石地幔中掉下來，進入核心，從而降低了成核的屏障。

但這需要一個巨大的小塊——也許是一個大的城市的大小——足夠重，可以穿過地幔，然後大到足以使它成為核心而不完全溶解。

如果是這樣的話，“我們需要弄清楚這種情況到底是如何發生的，”Van Orman說。

“另一方面，”他說，“我們之前沒有想到的行星核有一些普通的特徵，它們能讓它們克服成核障礙嗎?”

“是時候讓整個社區來思考這個問題以及如何測試它了。”內核是存在的，現在我們必須弄清楚它是如何到達那裏的。

科學家發現，地球核心中存在液態金屬氮

氮是地球上最豐富的元素之一，主要以氣體形式存在。然而，在地球的中心深處，氮是一種液態金屬。

這一新見解是科學家在研究氮的行為時所形成的，他們將氮暴露在模擬的地球最深層的極端環境下。研究人員認為他們的最新研究可以幫助專家瞭解地球是如何從數十億年前太空中的元素形成的。氮氣占地球大氣的78%，最新研究還可以為氮的最基本結構提供新的見解。

液態金屬氮

來自英國、美國和中國的一個國際研究小組使用了先進的技術來重現地球核心的環境。通過應用動態鐳射加熱，研究人員能夠將壓縮的氮氣加熱超過3000攝氏度。他們也用同樣的高能光束施加壓力，使壓力超過地球表面的大氣壓力的百萬倍。然後，研究人員利用快速分光法觀察了氮在超高壓力和溫度下的情況。他們發現，在這種環境下，地球中心的氮以液態金屬形式存在。

這對地球意味著什麼？

這項新研究的結果發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上，它可以為研究行星形成的專家提供新的觀點。研究人員認為，它也可以為為什麼地球富含氮提供新的解釋。在太陽系的所有行星中，地球是唯一一個充滿氮的世界，它主要以氣體形式存在。

愛丁堡大學物理與天文學院的Stewart McWilliams表示，來自地球核心的氮可能已經從岩層中上升，變成了地球大氣中的氣體。地球的大氣是所有行星中唯一一個氮是主要成分，比氧都多。他們的研究表明這種氮可能是從地球深處產生的。

地球核心

地球由三層組成：地殼，名為地幔的熱層，以及地核。

很長一段時間裏，科學家認為地球的核心是一個純鐵的固體球。然而，後來的發現推翻了這一理論，因為科學家發現，核心實際上有兩層：一個溫度高達5000攝氏度的由液態鐵和鎳組成的外核，以及一個溫度高達6650攝氏度，1200千米厚的固體內核。內核裏的極高壓力使其成為固體。

科學家認為內核與外核的相對旋轉是產生地球磁場的原因。這個磁場是保護地球免受來自太陽的帶電粒子的傷害。

地核溫度達6000℃，堪稱地獄，可比起木星內核只是小巫見大巫

相信大多數人對於“地獄”的概念都是來自於宗教傳說或者神話傳說，傳說生前善良的人死後會去往天堂，生前罪惡的人死後就會下地獄去。而且他們認為地獄是魔鬼待的地方，那麼周圍都是火包圍著。有人就會好奇地問，地獄到底有多熱呢？

這個問題是基於大多數的宗教描述和神話傳說的，畢竟沒有這些存在的話人類是想像不出地獄是什麼樣子的。根據相關描述，地獄就在地球的最下面。因此為了瞭解地獄到底有多熱，我們暫且把地獄定位在地球的核心，那裏可以是名副其實的地獄，因為地核是一顆超級炙熱的鐵核。

這個問題是基於大多數的宗教描述和神話傳說的，畢竟沒有這些存在的話人類是想像不出地獄是什麼樣子的。根據相關描述，地獄就在地球的最下面。因此為了瞭解地獄到底有多熱，我們暫且把地獄定位在地球的核心，那裏可以是名副其實的地獄，因為地核是一顆超級炙熱的鐵核。

由於人類的科技有限，科學家是無法直接測得地核的溫度。但是科學家通過各種資料分析對地核溫度進行了估測，認為那裏的溫度應該在5000℃到6000℃左右。這樣的溫度足以讓地球上所有的金屬都融化掉，而地核中最多的元素恰恰是鐵和鎳。這兩種金屬在地核本來應該以液態的形式存在的，但是外核的壓力使得內核變成了固態，而外核卻是液態的。

目前科學家測得太陽光球層的溫度大約是5500℃，這和地核的溫度差不多。但是和木星的核心溫度比起來，地核的溫度就差太遠了。木星的地核溫度達到了24000℃，所以如果要說地獄的話，那木星的內核才是真正的地獄，而地核只能夠算是“偽地獄”。

那麼為什麼地球的核心如此熱呢？能夠造成如此高溫的熱量，一般之後放射性元素做得到。地球內部的放射性元素在衰變的時候不斷地產生熱量，這些熱量在地球內核聚集著，逐漸創造出地獄般的環境。另外，地球在剛剛形成的時候是有動能的，這些動能在地球演化的過程中逐漸轉化為熱能，一直持續到今天。

地球核心每年都在降溫1℃ 只要5萬年，地球磁場將會蕩然無存

地核顧名思義是地球最為核心的區域，它分為液態的外核和固態的內核。不過，要知道，早在地球剛產生時，地球的內核外核是一體的——都是主要由液態鐵、鎳等金屬構成的高溫液體。而那所謂的“內核”，就是地球核心逐漸冷卻的後果。

每升高33米，溫度就會下降1℃，同理，每下降33米，溫度應該會上升1℃。照這麼去算，地核的溫度應該高於10萬攝氏度，不過實際上，地球核心溫度僅僅是6000℃，與太陽表面溫度不相上下。

而液態的核心是地球維持磁場的關鍵。奔流的液態金屬與地核中固態的金屬元素構成了一個類似發電機的結構，奔湧不息的液態金屬給地球源源不斷地提供這強大的磁場，這也是地球億萬年來遮罩太陽風的剝削的關鍵。

我們剛才提到過，地球內核是由冷卻而來的“外核”組成的。而且根據科學家的計算，以現在地球熱量流失的手段來看，僅僅是地質活動，地核每年都會散熱近1℃，照這麼算下去，即便是有太陽的補充，地球核心也將會在最快5萬年內冷卻。

地球已經存在了45億年，這麼長時間內是什麼維持了地球液態核心，為何地球核心會冷卻掉呢？

科學家認為，是上一代恒星爆炸後留下的重元素堆積到地球核心，如鉀-40、鈾-235、釷-232等，隨著重元素的不斷衰變產生熱量，地核便會吸收足夠的能量用於維持地球磁場以及地質活動，地質活動也是地球核心散熱的手段。

不過，重元素也終究會有消耗殆盡的那一天，解釋，地球核心獲得的能量將會遠大於失去的能量，很快，地核將會完全冷卻成固態，地球也將變成如火星般荒涼的星球。不過現在的科技還無法讓科學家判斷地球核心冷卻的具體時間。