破解地球內核的奧秘：深入探尋地球深處的「冰凍鐵球」

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地球內核，距地表超過5100公里深處，這個由鐵和鎳組成的固體球體，對地球表面環境的塑造至關重要，甚至我們的存在都可能依賴於它。然而，儘管內核如此重要，它的形成和發展仍然是一個未解之謎。

地球的內核不僅保護著我們免受太陽有害輻射的影響，它也是產生地球磁場的關鍵。這個磁場像一個隱形盾牌，擋住了來自太陽的有害輻射，可能也是數十億年前生命能夠在地球上繁衍的原因。

最初，地球的內核是液態的，但隨著地球逐漸冷卻，內核開始固化，外層的富鐵液體「冰凍」成固體。這個過程釋放出氧和碳等元素，這些元素與固體的熱鐵不相容，於是形成了在外核底部浮力較大的熱液體。這些液體混合並上升，最終在地球外核內形成電流，這就是「發電機效應」，從而產生我們熟悉的地磁場。

為了更好地理解地球磁場的演化，科學家們運用了模擬核心和地幔熱狀態的模型。然而，這些模型常常假設內核是在液態鐵冷卻到熔點時開始固化的，但這並不完全反映實際的「冰凍」過程。

「超冷」是地核固化的一個可能關鍵因素，這意味著液態鐵在冷卻到低於其凝固點時並未立即轉變為固態。這種現象類似於大氣中的水分，在結成冰雹前，有時可以達到-30°C。根據計算，鐵在地核中的固化可能需要超過1000K（約727°C）的超冷，這給研究帶來了極大挑戰。這意味著地核可能在其歷史大部分時間內，溫度都低於其熔點。



「超冷」：液態鐵在冷卻到低於其凝固點並未立即轉變為固態



這張圖片顯示地球內核（淺黃色）和外核的液態區域，並展示了黑色的磁場線。內核是固態的，外核則是液態的，這些磁場線是地球磁場的來源。
（圖／Alfred Wilson-Spencer, CC BY-SA)


由於人類目前無法物理進入地核，地質學家主要依賴地震學來了解地球深處的構造。自1936年發現內核以來，科學家們估計它約占地球半徑的20%。通過這些數據，研究人員推測內核和外核之間的溫度邊界，並進一步估算出超冷可能發生的程度。

最新的研究表明，可能並不需要如此高的超冷來形成內核。礦物物理學家們測試了純鐵和其他混合物，發現某些化學成分或結構可能減少超冷需求，甚至可能使內核在低於400K的超冷情況下形成。這解釋了目前觀察到的內核狀況。

這一發現對於理解地球的演化歷史至關重要。內核的年齡估計範圍約在5億至10億年之間，但超冷問題可能意味著內核比預想的要年輕幾百萬年。弄清楚地球磁場的形成對於研究太陽輻射和大規模滅絕之間的關聯，甚至解開生命起源的謎團，都是至關重要的下一步。



資料來源 : 明日科學
https://tomorrowsci.com/globalnews/20240909_01/