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連地殼都挖不穿的人類,怎麼會知道地球核心的溫度超過了6000℃?

delightW11 2022/08/06

相信大家都知道,地球有一個熾熱的核心,其溫度超過了6000℃,不過如果要問地球核心的溫度是怎麼測出來的,估計很多人就不太清楚了。

實際上,人類迄今為止在地球上挖得最深的位置,也就是地下12公里多一點點,連地球的地殼都沒有挖穿,所以地球核心的溫度肯定不是直接測量出來的。

連地殼都挖不穿的人類,怎麼會知道地球核心的溫度超過了6000℃呢?

6000℃這個資料當然是科學家給出的,其實在探索地球核心溫度的過程中,科學家採用的方法巧妙又令人信服,下面我們就來簡單了解一下。

首先就是利用地震波去窺探地球內部的結構。地球是一顆岩石行星,當地球某處發生地震時,其產生的地震波就會向地球表層及內部四散傳播,通過大量地探測並分析地震波在地球內部不同深度傳播時的具體過程,就可以知道地球內部不同深度的物質密度和狀態。

1909年,地球物理學家莫霍洛維奇發現,在地下大約54公里處,地震波的傳播速度突然有一個顯著的增高,這說明了該深度上下的物質密度相差很大,是一個明顯的分介面,在接下來的時間裡,科學家們確認了這種分介面在世界各處的地下普遍存在,並將其命名為「莫霍面」,即地殼和地幔的分介面

(注:地球各處的「莫霍面」的深度並不是平均的,相對而言,海洋的地殼比陸地更薄)。

1914年,地震學家古登堡利用同樣的方法,發現了在地球表面之下大約2900公里處,還存在一個明顯的分介面,這其實就是地幔和地核的分介面,也稱「古登堡面」。

1936年,地質學家萊曼根據更精確的測量資料發現,在「古登堡面」以下的一定深度內,地震波的橫波「消失」了,而到地球表面之下大約5100公里處,地震波的橫波又重新出現。這就意味著,地核也是分了層的,其中外核為液態,而內核則為固態(注:地震波的橫波不能在液體中傳播)。

隨著研究的深入以及相關科技的發展,科學家對地球內部構造的認識也越來越清晰,如上圖所示,地球構造按內外到內的順序可分為地殼、地幔和地核,其中地殼主要是由火山岩、沉積岩和變質岩構成,地幔則可分為上地幔和下地幔,其主要成分為矽酸鹽礦物,而地核則可分為液態的外核和固態的內核,主要由鐵、鎳構成。

在搞清楚了地球的內部結構之後,下一步就是估算地球核心的溫度了,怎麼做呢?科學家關注的一個重點區域就是地球內核和外核的分介面,我們可以將其稱為「內核邊界」。

我們知道,在標準大氣壓下,如果我們將冰放進水裡,那麼當冰和水達到穩定共存的狀態時,其溫度就一直是0℃,這是因為冰的熔點和水的凝固點都是0℃,如果「冰水混合物」的溫度高了,冰就會化成水,反之則水會結成冰,只有在溫度在0℃時,冰和水才能穩定共存。

同樣的道理,在「內核邊界」中,固態物質和液態物質也是處于穩定共存的狀態,這種情況就像「冰水混合物」一樣,其溫度也是固定,所以「內核邊界」的溫度就是一個非常好的參考點,在此基礎上,只需要再利用一些地球物理與熱力學參數,科學家就可以估算出地核的溫度曲線,進而知道地球核心的溫度。

根據地球的質量分佈,科學家計算出了「內核邊界」的壓強大約為329GPa,所以一個可行的方法就是,通過實驗測量出與地核成分相同的物質在329GPa的壓強下的熔融溫度,而這個溫度其實就可以認為是「內核邊界」的溫度。

這說起來容易,做起來可就難了,要知道329GPa的壓強,相當于標準大氣壓的300多萬倍,如此巨大的壓強可不是隨隨便便就可以製造出來的。

簡單來講,科學家精心設計兩種實驗方法,可以巧妙地達到極高的壓強,一種被稱為「動高壓實驗」,即通過爆炸釋放出的衝擊波得到瞬間的高壓,另一種則是「靜高壓實驗」,即讓兩塊非常尖的金剛石的尖端互相接觸,再對其施加壓力,進而在接觸處產生極高的壓強。

由于上述兩種實驗方法都存在著一定的不確定度,因此在過去的很長一段時間裡,科學家都很難精確地測量出「內核邊界」的溫度,直到進入21世紀之後,科學家才利用先進的測量技術得到了較為準確的結果,即「內核邊界」的溫度為6230K左右,也就是5956.85℃左右。

科學家據此估算出,地核外側的溫度約為4000℃,而地核最中心的溫度可以達到6800℃,考慮到地球內部的實際情況可能會與估算值存在一定的差異,因此一般的說法就是:地球核心的溫度超過了6000℃。


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