科学家通过地震波首次揭示了地球外核的变化

2022年07月03日 13:39 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

理论支撑着我们人类对地球外核的对流及其控制地球磁场的功能的理解。科学家们从未直接观察到对流或它们可能发生的变化。弗吉尼亚理工大学的地球科学家Ying Zhou首次提出了证明。

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1997年5月,一场大地震震动了南太平洋的克马德克群岛地区。20多年后,在2018年9月,第二次大地震袭击了同一地点,其地震能量波从同一地区发出。

弗吉尼亚理工大学理学院地球科学系的地质科学家Ying Zhou指出,虽然这两次地震相隔20年,但由于它们发生在同一地区,预计它们会以同样的速度通过地球层发出地震波。

然而在实时记录地震振动的150多个全球地震网台站中的4个台站所记录的数据中,Zhou发现两个事件中出现了令人惊讶的异常情况。在2018年的地震中,一组被称为SKS波的地震波比1997年的同类波快了约一秒钟。

Zhou的研究结果最近发表在《Nature Communications Earth & Environment》上,根据他的说法,SKS波旅行时间的一秒差异让我们看到了地球内部更深处也就是其外部核心所发生的重要的、前所未有的一幕。

里面的东西非常重要

地球的外核被夹在地幔和内核之间,前者是地壳下面厚厚的岩石层,后者是地球最深的内部层。它主要由液态铁组成,在地球冷却时发生对流或流体流动。由此产生的液态金属漩涡产生电流,其负责产生地球的磁场--称为磁层,它保护地球和地球上的所有生命免受有害辐射和太阳风的影响。

没有磁层地球就无法维持生命,而没有外核中液态金属的流动磁场就不会起作用。Zhou副教授表示,对这种动态的科学理解是基于模拟的,“我们只知道在理论上,如果你在外核有对流,你将能产生磁场。”

科学家们也只能猜测已经观察到的磁场强度和方向的逐渐变化的来源,而这可能涉及到外核的变化流动。

“如果你看一下北地磁极,它目前正以每年约50公里的速度移动,”Zhou说道,“它正在远离加拿大,向西伯利亚移动。磁场不是每天都一样的。它在变化。既然它在变化,我们也推测外核的对流随着时间在变化,但没有直接的证据。我们从来没有见过。”

Zhou着手寻找这一证据。她表示,发生在外核的变化并不剧烈,但它们值得确认并从根本上理解。在地震波和它们在十年时间尺度上的速度变化中,Zhou看到了一种对外核进行直接取样的手段--因为她研究的SKS波直接穿过了它。

“SKS”代表波的三个阶段:首先,它作为S波或剪切波穿过地幔;然后作为压缩波进入外核;然后作为S波从地幔中返回。这些波的传播速度部分取决于其路径上的外核的密度。如果当波穿透外核的某个区域时该区域的密度较低,那么波就会走得更快。

“沿着那个波的路径有一些变化,所以它现在可以走得更快,”Zhou说道。

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在Zhou看来,波速的差异表明在1997年地震后的20年里,外核形成了低密度区域。她指出,2018年地震期间较高的SKS波速可以归因于地球冷却时发生的对流过程中,外核中氢、碳和氧等轻元素的释放。

“20年前的材料已经不存在了。这是新的材料,而且它更轻。这些轻元素将向上移动并改变它们所在区域的密度,”Zhou说道。

对Zhou来说,这证明了运动真的在核心中发生,而且它随着时间的推移而变化。“我们现在能够看到它。如果我们能从地震波中看到它,在未来,我们可以建立地震站并监测这种流动。”

下一步是什么

Zhou表示,她将利用一种被称为干涉测量的波浪测量方法,她的团队计划分析两个地震台的连续地震记录,其中一个将作为“虚拟”地震源。“我们可以使用地震,但依靠地震数据的局限性是我们不能真正控制地震的位置。但我们可以控制地震站的位置。我们可以把地震站放在我们想要的任何地方,从一个地震站到另一个地震站的波道要穿过外核。如果我们随着时间的推移进行监测,那么我们可以看到这两个站之间的穿透核心的地震波是如何变化的。有了这一点,我们将能够更好地看到外核中的流体随着时间的推移而移动。”

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