期刊導航
地核的形狀可以用一種神秘的成分來解釋
我們星球中心的富含鐵的核心一直是地球演化的重要組成部分。核心不僅為保護我們的大氣層和海洋免受太陽輻射的磁場提供動力，它還影響不斷重塑大陸的板塊構造。
但是，盡管它很重要，但許多最基本的屬性核心的是未知的。我們不知道核心到底有多熱，它是由什么制成的，也不知道它何時開始凍結。
幸運最近的發現我和我的同事們讓我們更接近解答這三個謎團。
我們知道地球內核的溫度大約是 5,000 開爾文 （K） （4,727°C）。它曾經是液體，但隨著時間的推移已經冷卻并變成固體，并在此過程中向外膨脹。當它冷卻時，它會將熱量釋放到上覆地幔，驅動板塊構造背后的洋流。
同樣的冷卻也會產生地球的磁場。如今，該磁場的大部分能量來自冷凍巖心的液體部分，并在其中心生長固體內巖心。
然而，由于我們無法訪問核心，因此我們必須估計其特性以了解它是如何冷卻的。
了解巖心的一個關鍵部分是了解其熔化溫度。我們從地震學（地震研究）中知道固體內核和液體外核之間的邊界在哪里。
核心的溫度必須等于其在此位置的熔化溫度，因為這是它結冰的地方。因此，如果我們知道熔化溫度的確切值是多少，我們就可以更多地了解巖心的確切溫度——以及它是由什么組成的。
神秘的化學
傳統上，我們有兩種方法來弄清楚核心是由什么組成的：隕石和地震學。
通過檢查隕石的化學成分——隕石被認為是從未形成的行星碎片，或者被摧毀的類地行星的核心碎片——我們可以了解我們的核心是由什么組成的。
問題是這只能給我們一個粗略的想法。隕石向我們展示了核心應該由鐵和鎳制成，也許還有百分之幾的硅或硫，但很難比這更具體。
另一方面，地震學要具體得多。當地震產生的聲波穿過地球時，它們會根據它們穿過的物質而加速和減速。
通過比較這些波從地震到地震儀的傳播時間，以及實驗中波穿過礦物和金屬的速度，我們可以了解地球內部是由什么組成的。
事實證明，這些旅行時間要求地核大約密度比純鐵低 10%，并且液體外芯比固體內芯致密。只有一些已知的堆芯化學成分才能解釋這些特性。
但即使在一小部分可能的成分中，潛在的熔化溫度也會相差數百度——這讓我們對巖心的精確特性一無所知。
新的約束
在我們的新研究中，我們利用礦物物理學來研究巖心是如何首先開始凍結的，發現了一種理解巖心化學性質的新方法。而且這種方法似乎比地震學和隕石更具體。
模擬液態金屬中原子如何聚集形成固體的研究發現，某些合金比其他合金需要更強烈的“過冷”。
過冷是指當液體冷卻到熔化溫度以下.過冷越強烈，原子就越頻繁地聚集在一起形成固體，使液體凍結得更快。冰箱中的水瓶在冷凍前可以過冷至 -5°C 數小時，而當云中的水滴冷卻至 -30°C 時，冰雹會在幾分鐘內形成。
通過探索巖心所有可能的熔化溫度，我們發現巖心可能最過冷的溫度比熔化溫度低 420°C 左右——超過這個溫度，內核就會比地震學發現的要大。但純鐵需要不可能的 ~1000°C 過冷才能凍結。如果冷卻這么多，整個核心就會結冰，這與地震學家的觀察相反。
添加硅和硫，隕石和地震學都表明硅和硫可能存在于核心中，只會使這個問題變得更糟，需要更多的過冷。
我們的新研究探討了碳在巖心中的影響。如果核心質量的 2.4% 是碳，則需要大約 420°C 的過冷才能開始凍結內核。這是第一次證明冷凍核心是可能的。如果巖心的碳含量為3.8%，則只需要266°C的過冷。這仍然很多，但更合理。
這一新發現表明，雖然地震學可以將核心可能的化學成分縮小到幾種不同的元素組合，但其中許多無法解釋行星中心存在固體內核。
巖心不能僅由鐵和碳制成，因為巖心的抗震特性至少需要一種元素。我們的研究表明，它更有可能含有一點氧氣，可能還含有硅。
這標志著朝著了解核心是由什么組成的、它是如何開始結冰以及它如何從內到外塑造我們的星球邁出了重要一步。
阿爾弗雷德·威爾遜-斯賓塞， 礦物物理學研究員，利茲大學
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