我们早就知道,地球就像一个巨大的洋葱,被一层层的结构包裹着。我们长期以来所知道的构造分为四层:固体核、液体外核、地幔和地壳。
其中,地壳是地球的最外层。最深部分为70公里,最浅部分仅为1.6公里。平均深度在30公里到40公里之间。所有的生命、海洋和大气都覆盖在地壳上。
地幔是地球上最厚的一层,从壳幔交界处延伸约2890公里,从地幔最底层延伸2260公里就是我们常说的液态外核。这里的材料保持着5000℃以上的熔融液体;
其余的构造是实心的地核,深度6370公里,这就是我们过去对地球结构的了解,地球结构分为四层。
然而,发表在《地球物理研究杂志》上的一篇论文指出,科学家在地核深处发现了一个新的界面。在这个界面的上方是我们过去认为的固体核心,它主要由铁和镍组成;
在这个界面下,物质结构发生了变化,成分也不清楚,但科学家推测,它仍然是一个以铁为主的固体核心,从界面到地球中心的距离约为650公里。
如果这项研究是正确的,那么这一发现将改写我们的教科书,地球不再只有四层,而是变成了五层,在固体核心中有一个未知的结构。
那么,科学家是如何发现这层结构的呢?或者科学家是如何一层一层地知道地球的洋葱结构的?
按照常理,如果你想知道一个物体的结构,最简单、最粗糙的方法就是把它拆开看一看,或者在物体上打个洞,一眼就把样品拿出来。
这种方法也可以用来研究地球的结构,但唯一的问题是地球太大,半径超过6000公里,密度很高。想要深入地球是人类的错觉。
而且,事实证明,在地球上钻孔并不是一个明智的选择。上个世纪,美国和苏联都在地球上钻孔。美国计划钻入海底地幔。最后,由于技术和资金问题,它只钻了几百米就停了钻。
自1970年以来,苏联已经在西伯利亚深处的可拉半岛钻探了24年。它耗费了大量的人力物力,最后只钻了一个1万多米的洞。虽然这是目前人类创造的最深的人工洞,但这个洞就像蚊子叮咬着人的皮肤一样。
因此,我们对地球内部结构的认识不是直接研究的结果,而是通过地球演化理论和地球物理实验间接得出的结论。
地球演化
地球的形成和演化可以大致告诉我们地球的结构。
我们知道,在宇宙中,像地球这样的大天体的形成,基本上只与一种力有关,那就是引力!在重力作用下,大量物质迅速碰撞聚集,并在短时间内不断释放巨大的重力势能;
重力势能的释放增加了物质的内能,因此地球在形成之初就是一个完全熔融的火球。
其次,还有另一种由重力引起的现象,这是我们今天在地球上经常看到的现象,即重物体坠落,轻物体上升。例如,木块漂浮在水面上,而石头沉入海底,氢气逃逸到太空,二氧化碳等重气体沉入大气底部。
在地球融化的过程中,这样的现象还会继续发生。根据这一现象,我们可以肯定地知道,地球越深,密度就越高;
这就是为什么今天的地球大气漂浮在海洋之上,海洋漂浮在地壳之上,地壳漂浮在地幔之上,地幔漂浮在地核之上。
因此,根据地球形成和演化的历史,我们可以确定地球是一层一层密度不同的洋葱。
由于地球在形成之初是一个大火球,我们也可以知道它越深,地球内部的温度就会越高。如果地球现在还没有完全冷却,那么地球内部应该还有一个熔化的核心。
从地球磁场来看,我们也知道这一点。如果没有熔核,地球就不会像发电机一样不断地产生磁场。
通过地球演化的历史,我们可以大致了解地球内部的形状。综上所述,地球内部的密度比较高,不同的密度会形成不同的水平;地球内部的温度非常高,甚至有熔融的液体层。
剩下的工作是,我们需要确切地知道地球内部有哪些层,以及每层的深度和组成,等等。
唯一能帮助我们的是火山活动和地震波。
通过火山活动喷发的物质,我们可以准确地知道地幔深部的物质组成。我们发现地幔中的物质比地壳中含有更多的由铁和镁组成的硅酸盐,其密度也比地壳中的高,这也验证了我们以前的理论推测。
通过地震波在地球中传播速度的变化(不同密度材料中的传播速度不同),我们可以知道地球内层的分层情况。
地震波分为纵波和横波。
P波为纵波,稀疏部分和密集部分向外传播。介质的振动方向与波的振动方向相同。声音通过这种形式在介质中传播。
S波是横波,水面上的波纹就是由这种波形成的。介质的振动方向与波的传播方向垂直。
当地震发生时,震源处产生的横波和纵波将从一个点震源向四面八方扩散。当这些波遇到不同的物质状态或密度变化时,它们要么不能通过,要么不能偏转和折射;
分布在世界各地的地震波探测点可以采集这些波,通过波的变化分析它们从点源发出后的变化,从而了解地球的内部结构。
例如,横波不能穿过液态物质,所以我们可以知道地球上有一个液态的外核,我们可以知道这个液态的外核的范围;
纵波以不同密度传播时,会发生折射。因此,我们可以知道地球内部分层密度的变化以及密度变化的确切深度,也就是说,我们可以知道不同密度地层边界的位置。
我们知道在地壳和地幔之间有一个密度变化界面,在外核和内核之间有一个密度变化界面。所以我们大致确定了地球的内部结构。
但这种方法不一定非常精确和完善。毕竟,这只是通过间接方法得到的结果。因此,我们对地球内部的真实情况知之甚少。
就像这次一样,科学家们通过研究地球内部地震波的传播时间数据并使用新的算法重建了一个新的核心模型。他们发现核心有一个新的接口。在界面下,铁心密度较高,铁的结构略有不同。在这个新的界面下,它被称为地球的“第五层”。
各种模型显示了地球中心铁结构的细微变化,如绿色核心区的黑色圆圈所示。
目前还不清楚组成发生了什么变化,未来科学家将对新发现的层状金星进行更多研究。