地球内核反向旋转？科学解读来了

2023-02-21 11:22:35 来源：科普中国

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作者：张文华

监制：中国科普博览

北京大学地球与空间科学学院杨翼博士与宋晓东教授最近在《自然·地球科学》国际期刊上发表论文，研究发现在过去十年左右的时间里，地球内核的差速旋转几乎停止了，相对于地幔，内核开始缓慢地反向旋转。这种旋转的变化也发生在20 世纪70年代早期，推测地球内核的旋转可能存在七十年左右的震荡周期。

地球内核是什么？

地球通常划分为外部圈层和内部圈层两大部分。外部圈层是我们所处的地面及以上部分，包括大气圈、水圈、生物圈，构成了我们生活的环境；内部圈层可以进一步划分为地壳、地幔和地核，其中地核由固态内核及其外层的液态外核共同组成。

地球圈层结构

（图片来源：veer图库）

内核由什么物质构成一直以来颇具争议，许多学者研究认为在大约45亿年前原生地球逐渐形成，由于铁和镍的质量较重，大部分沉入到了地球的内部，形成了固态的地球内核，即内核主要包含铁和镍。

地球内核为什么旋转更快？

传统认识地球是一个整体，认为内核旋转与地球其它圈层旋转保持同步，也就是说二者相对静止。1996年，美国哥伦比亚大学的保尔·理查兹博士和宋晓东博士利用地震学的方法研究发现地球内核在快速旋转，其旋转的速度大于地球其他部分。这项发现成为了探索地球内部结构新的开端，吸引着无数学者研究，随着科学家们的不断研究，我们对地球的深部结构与内核有了更多的认识，逐渐改变了我们以往的固有看法。

地球内核处于距地表5100千米-6371千米的地球深部，温度高达6000℃以上，我们无法用现有的技术手段直接深入地球内部进行测量。利用地震波研究地球内部结构与状态，类似于“给地球做CT”，对数据进行处理和分析，可以得出地球深部的动态变化。宋晓东等利用几十年期间所发生的五十余次地震数据及人为产生的地震波数据进行分析，计算走时，得出在1996年之前的三十多年里，通过地球内核的地震波走时发生了微小但系统的变化，这种变化就是由地球内核旋转速率与地壳地幔不同导致的。

地球内核快速自转的原因，有观点认为是由于地球自转过程中的惯性力——科里奥利力（Coriolis force）。这是一种由地球自转产生的力，它会影响物体的运动方向，简单来说就是让原本直线运动的物体的运动轨迹发生弯曲。

科里奥利力的作用效果示意

（图片来源：Wikipedia）

在地球自传过程中，由于科里奥利力的作用，使地球浅层的自转速度小于深层的自转速度，这也就是地球的差异旋转现象。也有观点认为，地核产生的巨大磁场所产生的力矩导致地球内核旋转速度不同。内核与地壳地幔之间隔着液态的外核，外核的低摩擦力利于内核更快速的旋转。

宋晓东教授团队发现，地球内核的旋转自约2009年起就几乎停止并且开始逐渐反向旋转；从20世纪70年代早期到约2009年之间，地球内核的差速旋转为正向，内核旋转速度大于地球自转速度；自约2009年起至今，缓慢反向旋转，差速旋转变为反向。所推测的内核旋转存在六七十年的震荡周期是否准确还需要未来更多的研究和探索。

研究内核的旋转有什么意义？

研究地球内核的旋转，有助于我们理解地球深部圈层的运行机制，了解地球内部构造运动规律。如在目前的一些理论中，地球磁场的产生就是由于地球液态外核的运动导致，地球外核是液态导电的，所以当它们呈现涡流时就会产生磁性——我们人人熟悉的右手螺旋定则就是描述电生磁现象。而地球的内核与外核紧密联系，也可能对地球磁场的产生和磁场反向都有决定性影响。

地球内外核相互作用导致地磁场产生的示意图

（图片来源：Wikipedia）

因此理解地核运动对地球科学等领域许多研究命题有重要的意义，为传统的地球深层内部结构的地震学研究增加了新的时间维度。差速旋转伴随着从原生地球形成以来的演化历史，对地球动力学的研究也有重要影响。

虽然地球内核的研究在科研领域是一项非常巨大的突破，但是正如宋晓东教授所说，它距离我们的日常生活还很远。“对于知识的追求是具有高等智慧的人类的基本需求。对这颗我们生于斯、长于斯的星球进行了解和探究是我们需要做的一件基本的事，也是探索类地星球的基础。”地球内核对我们来说是遥远而神秘的，它所产生的变化如何作用于我们的日常生活还没有一个明确的结论，这也是无数科研工作者不断探索的方向。

关键词：反向旋转地球内部科里奥利力