河水流淌穿過新地群島的一處山脊，這里是冷戰(zhàn)時期前蘇聯(lián)的一處核試驗(yàn)地點(diǎn)。這些試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)得以讓如今的科學(xué)家們高清一睹我們星球的內(nèi)部。
攝影：MAXIMILIAN BUZUN, ALAMY STOCK PHOTO
撰文：MAYA WEI-HAAS
1971年9月27日，一枚核彈在俄羅斯的新地島爆炸了。強(qiáng)烈的爆炸產(chǎn)生的波動振蕩到地球內(nèi)部很深的地方，又從地心反彈回來，讓6400公里外蒙大拿荒野上的一列數(shù)百只機(jī)械耳都嗡嗡作響。三年后，當(dāng)?shù)诙w核彈在幾乎相同的地點(diǎn)爆炸時，這列機(jī)械耳接收到了一個信號。
這兩次核彈爆炸只是冷戰(zhàn)狂熱掙扎時期上百次試驗(yàn)引爆中的一小部分?，F(xiàn)在，這些振蕩記錄在地質(zhì)學(xué)家之中引起了軒然大波：它們幫助科學(xué)家計(jì)算出了迄今為止對地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)速度最精確的估值之一。
地球人都知道地球每24小時繞地軸自轉(zhuǎn)一圈。但地球內(nèi)核就是一個大約月球大小的鐵球，漂浮在熔融金屬的汪洋之中，這就意味著它可以獨(dú)立于地球的大規(guī)模自轉(zhuǎn)而自由轉(zhuǎn)動，這種現(xiàn)象被稱為超旋轉(zhuǎn)。地核旋轉(zhuǎn)得有多快一直是人們熱議的話題。
利用那些數(shù)十年前的核爆產(chǎn)生的曲折信號，南加利福尼亞大學(xué)的地震學(xué)家John Vidale現(xiàn)對這一速度有了最新估計(jì)。在最近發(fā)表于《地球物理研究快報》上的一項(xiàng)研究中，他記錄了地球內(nèi)核的轉(zhuǎn)速可能比地球表面稍快幾厘米。如果他的速度是正確的，就意味著假如你在赤道的一個點(diǎn)位上站一年，剛開始就在你腳下的內(nèi)核部分最終會離你7.7公里遠(yuǎn)。
“這是一次精確謹(jǐn)慎的研究，”加利福尼亞大學(xué)的地震學(xué)家Paul Richards說，他是1996年首次記錄了內(nèi)核超旋轉(zhuǎn)的研究的合著者?！澳窍旅娉霈F(xiàn)變化了?！?/p>
更好地了解地球內(nèi)部這塊鐵團(tuán)的歷史和當(dāng)前動態(tài)，能夠?yàn)槲覀兊拇艌龅膸щ娂胺€(wěn)定過程提供更多線索，這磁場是一種保護(hù)我們的世界免受各種有害輻射的地質(zhì)力場。我們?nèi)晕赐耆私膺@個磁場發(fā)電機(jī)是如何運(yùn)作的，但是科學(xué)家們強(qiáng)烈懷疑它與地球內(nèi)部的神秘運(yùn)動密不可分。
“地球是一個極端自然實(shí)驗(yàn)室，”倫敦帝國理工學(xué)院的地球深部地震學(xué)家Elizabeth Day說，她未參與這項(xiàng)工作。我們腳下的數(shù)千公里處，壓力在爆棚，溫度在灼燒?！霸谡鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)室中我們無法輕易復(fù)制這些條件。但如果我們能夠觀察到地球的深處，就能對這一系列極端情況有一些了解了?！?/p>
新的研究工作只是眾多次試圖計(jì)算出地核超旋轉(zhuǎn)速度的嘗試之一，但它提供出了迄今為止提出的超旋轉(zhuǎn)速度最慢的速度之一。不過這些研究之間的差異也不見得是一件壞事，Day說。
“這并不意味著任何人都是錯的，”她說。“這只代表每個人看到的東西都略有不同?！?/p>
地核難題
先前的研究，包括Richards合著的論文，利用地震波在地球上傳播的各種特性，給出了他們對內(nèi)核超旋轉(zhuǎn)速度的估計(jì)，其中一些每年只得出零點(diǎn)幾度。而這樣的測量并不易做到，其中許多分析的解析度都很低。不過，不像地震能發(fā)出強(qiáng)烈的震波，核爆炸提供的是一個清晰的信號。
“這就像地球被錘子砸了一樣，”Day說。
問題在于提取由蒙大拿州大孔徑地陣陣列編譯在九軌磁帶上的數(shù)據(jù)。1990年，磁帶被送到了阿爾伯克基地震實(shí)驗(yàn)室，然后由那時還是斯克利普斯海洋研究所的研究生Paul Earle負(fù)責(zé)從質(zhì)量日益退化的磁帶中提取前蘇聯(lián)核試驗(yàn)的回聲。
Earle在一個滿是盒子的房間里呆了兩周，盒子里裝滿了帶有秘密標(biāo)簽的光盤。大多數(shù)磁帶都遭到磨損，它們的磁性信息隨著時間一起流逝了。大約有十分之一的磁帶已經(jīng)無法用磁帶放音機(jī)讀取了，Earle說，他現(xiàn)在是美國地質(zhì)調(diào)查局的地震學(xué)家。
但一切努力都是值得的。Earle，Vidale，和勞倫斯利物莫國家實(shí)驗(yàn)室的Doug Dodge利用這些核爆炸中的散射波窺進(jìn)了地球的內(nèi)核。通過對比1971年和1974年在幾乎同一地點(diǎn)爆炸后散射回來的波紋，研究團(tuán)隊(duì)能夠計(jì)算出相對于地球的其他部分，地核旋轉(zhuǎn)的速度有多快。計(jì)算過程與用雷達(dá)追蹤行進(jìn)的飛機(jī)很相似，Richards強(qiáng)調(diào)。
他們最初的結(jié)果發(fā)表在2000年《自然》中的一篇研究里，指出旋轉(zhuǎn)速度在每年0.15度。隨后Vidale改變了策略，在近15年的時間里沒有再過多思考內(nèi)核。
深入挖掘
這種狀態(tài)在2018年12月時改變了，當(dāng)時他正走過美國地球物理聯(lián)盟年會上熙熙攘攘的海報大廳。在那里，Vidale注意到了Jiayuan Yao的研究工作，Jiayuan Yao目前是南洋理工大學(xué)的地球物理學(xué)研究人員。
Yao梳理了數(shù)萬次地震，尋找在同一地點(diǎn)不同時間發(fā)生的地震對。他通過對比40對相同地質(zhì)中穿過地球內(nèi)核的地震波，希望能探清我們地球深處的秘密。
“這真是絕佳的數(shù)據(jù)，”Vidale反復(fù)回想。然而，Yao的數(shù)據(jù)解析并非指向超旋轉(zhuǎn)，而是暗示可能發(fā)生了別的事情。
被這一難題引起了興趣，Vidale回顧了他的核爆炸數(shù)據(jù)組，但由于沒有找到原始的分析代碼，他不得不從零開始，用一種經(jīng)過更新的方法更深入地挖掘冷戰(zhàn)時期的震波。他的分析結(jié)果還是產(chǎn)生了超旋轉(zhuǎn)，但結(jié)果相比原先的估值反而更慢而更精準(zhǔn)了，得出了1971年至1974年間每年0.07度的新數(shù)據(jù)。
確定的不確定性
但當(dāng)其他科學(xué)家對Vidale最新研究的徹底性贊不絕口時，爭論也似乎遠(yuǎn)未結(jié)束。
Yao和他的同事們最近發(fā)表了一篇有趣的文章，用他從相同地震對中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了另一種解釋。他們假設(shè)，也許地球內(nèi)核其實(shí)是以與地球其他部分相同的速度旋轉(zhuǎn)的，而這種明顯的差異也可以解釋為，因?yàn)閮?nèi)核擁有隨著時間，或是山脈上升，或是峽谷下切入鐵團(tuán)，而產(chǎn)生變化的鋸齒狀表面。
Vidale認(rèn)為這一分析很有趣，但同時他也贊同在這種混合情形中可能得到的結(jié)果不止是超旋轉(zhuǎn)，他對Yao的明確解釋持懷疑態(tài)度。
Richards爭論說，有一種可能是地核這塊鐵團(tuán)本身就會隨著時間而扭曲。
“這就像當(dāng)你將一張披薩拋到空中，”他說?！八鼤D(zhuǎn)，但它也會來回扭動。它在旋轉(zhuǎn)的同時也在變形?！?/p>
也有可能內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度會隨著時間而變化，伊利諾伊大學(xué)的深地地震學(xué)家Xiaodong Song補(bǔ)充道，他是1996年首次記錄了內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的研究的合著者。雖然Vidale得出的最新速度相當(dāng)強(qiáng)有力，但它受限于一個單一時間段，因此進(jìn)一步的確認(rèn)很有必要，他在郵件中說道。
“做這些研究真的很難，”普林斯頓大學(xué)的地球深部地震學(xué)家Jessica Irving說?！懊總€零碎的數(shù)據(jù)都變得很有價值，而且不幸的是連零碎的數(shù)據(jù)都沒有太多。”也許更明確的答案就在眼前。分析結(jié)果變得越來越好，而世界各地的地震檢波器也在不斷地收集數(shù)據(jù)，監(jiān)測地球的每一次震動。
解決內(nèi)核的難題，Yao說道，“不需要再花十年?！?/p>
編輯注解：Paul Earle的從屬關(guān)系已經(jīng)得到糾正。他曾是斯克利普斯海洋研究所的研究生。文章也經(jīng)過更新，表明Song和Richards是第一位提供內(nèi)核超旋轉(zhuǎn)震動證據(jù)的人。
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