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地核

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地核 [1]  是地球的核心部分,位于地球的最内部。半径约有3470 km,主要由铁、镍元素组成,高密度,地核物质的平均密度大约为每立方厘米10.7克。温度非常高,有4000~6800℃。
地核的质量占整个地球质量的31. 5%,体积占整个地球体积的16. 2%。根据地震波的变化情况,发现地核也有外核、内核之别。内、外核的分界面,大约在5155千米处。因地震波的横波不能穿过外核,所以一般推测外核是由等物质构成的熔融态或近于液态的物质组成。液态外核会缓慢流动,故有人推测地球磁场的形成可能与它有关。由于横波在内核存在,所以内核是固态的。
中文名
地核
外文名
Core
元素组成
铁、镍
半    径
3480千米
物质密度
每立方厘米10.7克
温    度
4000~6800℃
质    量
1.88×10²¹吨

地核地核组成

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地核地核构成

地球的结构同其他类地行星相似,是层状的,而这些层可以通过它们的化学特性和流变学特性确定。地球拥有一个富含的地壳,一个非常粘稠的地幔,一个液体的外核和一个固体的内核。这些对地球内部结构的认识来源于物理学证据和一些推断,这些证据包括火山喷出的物质和地震波。地球内部从古登堡面起,一直到地球中心,称之为地核。
关于内核的物质构成,学术界有不少争议,许多人认为,主要是由铁和镍组成。但究竟是何物,这一切都还有待于进一步探索、证明。此外,内外核也不是截然分开的。地核的密度很大,即使最坚硬的金刚石,在这里也会被压成黄油那样软。
地核是地球的核心。地核又分为外地核和内地核两部分。外地核的物质为液态,内地核科学家认为是固态结构。外地核深2900km至5000km,内地核深5100km至6371km。此外在内外核之间,还存在一个不大不小的“过渡层”,深度在地下4980~5120公里之间。
从下地幔的底部一直延伸到地球核心部位,距离约为3473千米。据科学观测分析,地核分为外地核过渡层内地核 [2]  三个层次。外地核的厚度为1742千米,平均密度约10.5克/立方厘米,物质呈液态。过渡层的厚度只有100多千米,物质处于由液态向固态过渡状态。内地核厚度1 216千米,平均密度增至12.9克/立方厘米,主要成分是以铁、镍为主的重金属,所以又称铁镍核。

地核温度与压力

地核的总质量为1.88e21吨,占整个地球质量的31.5%,体积占整个地球的16.2% 。地核的体积比太阳系中的火星还要大。外地核的温度范围大约从接近地幔外侧的4000 ℃向内增加至接近内核的6100 ℃,内地核的温度则由交界处的6300℃递增至地球中心的6800℃。地球内部的热量主要来源于三部分,分别为地球形成时的余热,地球与太阳月球其他行星等天体之间的潮汐摩擦加热,以及放射性元素的衰变产生的热量。
由于地核处于地球的最深部位,受到的压力比地壳和地幔部分要大得多,在地核内部这种高温、高压和高密度的情况下,我们平常所说的“固态”或“液态”概念,已经不适用了。因为地核内的物质既具有钢铁那样的“刚性”,又具有像白蜡、沥青那样的“柔性”(可塑性)。这种物质不仅比钢铁还坚硬十几倍,而且还能慢慢变形流动而不会断裂。

地核大核反应

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美国地球物理学家玛文·亨顿(J.MarvinHerndon)在他的理论中提出,地球犹如一个天然的巨大核反应堆,人类则生活在它厚厚的地壳上,而地球表面3000公里深的地方,一颗直径和火星差不多大的球核,由于这里放射性元素集中,通过天然的衰变或核裂变放热,并因此产生了地球磁场以及为火山和大陆板块运动提供能量的地热。
在上世纪50年代,就曾经有科学家提出假设,认为行星表面甚至内部都可能存在自然的核反应,但这种理论的第一个物理证据出现在上世纪70年代。当时法国科学家在非洲加蓬一处铀矿点发现了发生于地表的天然连锁核反应,这一核反应已经持续了数十万年,并在这一漫长的过程中消耗了数吨重的铀。

地核地磁谜题

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亨顿博士研究了如果行星内部存在核反应可能产生的效应。他认为,在地球刚形成时候,大量放射性元素如,在重力作用下集中在地核,并且具有与其化学状态无关的自足的核裂变能力。地球内部的天然核反应活动产生了电流,并由此形成了地球磁场。这种核反应是间歇的,可能导致地球磁场在短期内迅速变化,甚至发生地磁逆转。而传统的地球物理学理论认为,地球内核热能释放导致液态外核与地幔底部出现热对流,从而形成地磁场,但这一理论无法解释地球曾发生的地磁逆转。

地核地球内部

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地球内部构造 地球内部构造
地核内部这些特殊情况,即使在实验室里也很难模拟,所以人们对它了解得还很少。但有一点科学家是深信不疑的:地球内部是一个极不平静的世界,地球内部的各种物质始终处于不停息的运动之中。有的科学家认为,地球内部各层次的物质不仅有水平方向的局部流动,而且还有上下之间的对流运动,只不过这种对流的速度很小,每年仅移动1 厘米左右。有的科学家还推测,地核内部的物质可能受到太阳和月亮的引力而发生有节奏的震动。
地球圈层名称
深度
(公里)
地 震
纵波速度
(公里/秒)
地 震
横波速度
(公里/秒)
密度(克/立方厘米)
物 质
状 态
一级
分层
二级
分层
传统
分层
地 壳
地 壳
0~33
5.6~7.0
3.4~4.2
2.6~2.9
固态物质
外过渡层
(上)
上地幔
33~980
8.1~10.1
4.4~5.4
3.2~3.6
部 分
熔融物质
外过渡层
(下)
下地幔
980~2900
12.8~13.5
6.9~7.2
5.1~5.6
液态—固态 物 质
液 态 层
外地核
2900~4700
8.0~8.2
不能通过
10.0~11.4
液态物质
内 过
度 层
过度层
4700~5100
9.5~10.3
12.3
液态—固态 物 质
地 核
内地核
5100~6371
10.9~11.2
12.5
固态物质

地核地核不在地球中心

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做一个简单的模拟试验:在装满水的瓶子里放入一个石子,系上一根绳子绕手旋转,结果:在瓶子内的石子始终偏向引力的另一侧。
同样道理,地球在太阳引力作用下绕太阳旋转,地核将偏向太阳引力的反方向,不在地球中心。

地核地核转动比外球快

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由于地球的地核不在地球中心,始终偏向太阳引力的反方向,导致地核和外圈层转动的角速度不一样,地核快,外圈层慢,如下图所示。
角速度ω=V / R ,V为线速度,R为半径。
在A点内球的半径小于A点到地球中心,依据角速度公式,地核角速度大于外圈层的角速度。

地核质量构成

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地核 地核
地核(Core):是地球的核心部分,主要由铁、镍元素组成,半径为3480千米。地核又分为外地核内地核两部分。外地核的物质为液态。外地核深2900km至5000km,内地核深5100km至6371km。
从体积上看,地核占地球总体积的16%,地幔占83%,而与人们关系最密切的地壳,仅占1%而已。地核(Core)位于地球的最内部。半径约有3470 km,高密度,平均每立方厘米重12克。温度非常高,约有4000~7000℃。它可再分为内核和外核。由地震波的传送可知,外核是融熔的。从源自其他行星核心的铁陨石来推测。

地核外地核压力

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在外地核部分,压力已达到136万个大气压,到了核心部分便增加到360万个大气压了。这样大的压力,我们在地球表面是很难想象的。科学家作过一次试验,在每平方厘米承受1 770吨压力的情况下,最坚硬的金刚石会变得像黄油那样柔软。

地核温度测算

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地核变化引起地球变化 地核变化引起地球变化
罗伯特-范德休斯特在论文中表示,研究人员们通过对由地震引发的地震波进行实时监控,进而对中美洲下面的地域进行了详细地检测。这一新发现将帮助地质学家研究地热是如何通过地球内部传到地球表面的。地热的传播过程引发了地球一系列的地质活动,如地震、火山、地磁场等等。科学家们计算从地表散发到了大气层的总热量约为42万亿瓦,罗伯特-范德休斯特的试验小组估计从地核传出的热量约占其中的三分之一。
罗伯特-范德休斯特称,地震波可以穿过几千英里的地球内部。通过读取地震波数据,可以有效测出地核与地幔之边界的温度。那么,这一温度到底是如何测出的呢?原来,地震波的速度显示了它们所过之处的化学和物理属性。研究小组将地震波数据与矿物质物理属性的数据进行综合,就算出了地幔、地核和两者边界上的温度。具体来说,有一种叫做pervoskite的矿石可以在特定温度和压力条件下相变为post-pervoskite。
据罗伯特-范德休斯特的博士研究生王平透露,他通过运用普适RADON变换的方法变换地震数据得到地球内部相关反射界面。接下来假设这些界面正是由于这个相变造成。而这个界面的压强是可以估计的,这样也就可以估计相应的温度。王平经过计算认为地幔边界的温度约为4000摄氏度。据此可以进一步估计地核的温度可以高达6000摄氏度以上。结合其他研究的关于太平洋下面的区域的热量损失估计,地球从地核到地幔的热量输出约为7.5至15万亿瓦,远比以前的研究估计的要高。
根据地震波的传播速度判断,地核可分为内核和外核,外核为液态,内核为固态。地核主要成分为铁、镍等。很多专家认为,地球内核中的主要物质有可能是处于晶体状态的铁镍合金。但也有科学家在实验中发现,将铁加热至熔融状态,并把熔融铁所处环境的压力逐渐升高至10万个大气压时,熔融铁的粘滞性会不断增强,铁中的晶格会逐渐受到破坏,其原子结构呈现出不规则排列状态,即非晶体状态。地球内核中的压力最大可达约370万个大气压,随着压力和温度的增加,熔融铁的粘滞性会继续升高,其非晶体特性会愈加明显。因此,地球内核中的主要物质很有可能是粘滞性极高、处于非晶体状态的、含铁镍成分的物质。
学者观点
罗伯特-范德休斯特的观点是:人们对地球内部其他一些特征确实有了一定的了解。数年来,科学家一直在研究地球内部由地震所引起的并以弯曲路径传播的震动波。通过研究这些波的路径,可以确定在不同深度地球密度的增加情况。在人所能往下钻探的范围内,地球皆由岩石组成,其密度并未随深度出现明显的增加。明显大于岩石密度的物质是金属,而最常见的金属是铁。因此,地球有一个被岩石幔所围的铁核。越向地核深入,压力会不断增加,铁的熔点也会不断增高。然而,铁的熔点似乎比温度上升得要快。这样,在地球最中心的75英里范围内,铁核变为固态的内核。压力已使铁的熔点变得非常高,以至于不断升高的温度也不能熔化内核。
由于地核具备上述特征,所以科学家们在实验室里很难进行模拟,因此对它的了解也就很少。但有一点科学家是深信不疑的,那就是地球内部是一个温度极高而且极不平静的世界,地球内部的各种物质始终处于不停息的运动之中。

地核确定温度

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2013年5月,通过新实验,科学家已经确定地核的温度是6000多摄氏度,比以前估计的5000摄氏度高近1000摄氏度,其炙热程度可与太阳表面相媲美。
研究人员把铁样放在极端高压环境下,利用X光探测铁晶粒的行为,用来研究铁晶粒是如何熔化和形成的。地球的内核是一个固体铁球,体积与月球差不多,围绕在它周围的剧烈运动的外核主要由液态铁镍合金组成。90年代初进行的试验测定了铁的“熔解曲线”,它们指出,地核的温度是5000摄氏度。然而最新试验的科研组利用位于欧洲同步辐射设备的世界最强X光源,再现了与地核承受的压力相同的环境。为了做到这些,该科研组采用了名叫钻石对顶砧(DAC)的装置,即把一个微小样本放置在两块精密加工合成钻石的尖端之间。

地核直径研究

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地核 地核
2006年11月,纽约州立大学的文连星(音)宣布,地核的直径正在不断膨胀之中。根据他的计算结果,地核向位于非洲中部地区的地表扩展了0.98~1.75公里。
这一结论的主要依据是1993年和2003年发生在南桑维奇群岛的两次强烈地震。
根据设置在俄罗斯和吉尔吉斯境内的两座地震台的测量,2003年地震所产生的地震波到达这两地的时间比1993年时快了39~70微秒。这一现象表明,位于地震震中和两座地震台直径的地核直径出现了局部扩展,也就是说,处于非洲中部地区下方的地核部分正在不断“隆起”。科学家们认为,地核之所以会发生扩展是由于其内层发生膨胀所致。
当然,地核直径的局部变化不但说明其正在“增长”,而且还表明:地核表面并不规则,分部着大量的凸起与凹陷。
另有一些数据则证实,地核一直在不停地旋转。因此,文连星观测到的效应也通过另外一种方式进行解释:处于非洲中部下方的地核会出现局部旋转速度“提升”的情况。 [3] 

地核可能蕴藏黄金

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据俄罗斯《纽带》2006年6月报道,澳大利亚科学家伯纳德·福特撰文指出,在地核中储存有非常丰富的黄金。根据他提供的研究数据,地核中黄金的总储量足以在地球表面包裹一层半米厚的金制外壳。伯纳德·福特是在对一块与地球同时形成的陨石进行分析后得出的。
科学家们在对一块偶然找到的小行星碎块进行分析后发现,它们之中重金属(主要是铁、镍、铂和金)的比重均比较大,而这种情况正好与构成行星的原始物质的组成是一致的。但是,在地壳和岩浆中这些重金属的含量均非常低。
伯纳德·福特由此得出结论,那些“缺失”的黄金和铂很可能都沉积到了地球内部。他认为,地核中集中了地球上至少99%的黄金储量。不过,这一假说还难以得到验证。 [4] 

地核相关知识

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地球自西向东自转,同时围绕太阳公转。地球自转与公转运动的结合产生了地球上的昼夜交替和四季变化。地球自转的速度是不均匀的。同时,由于日、月、行星的引力作用以及大气、海洋和地球内部物质的各种作用,使地球自转轴在空间和地球本体内的方向都要产生变化。地球自转产生的惯性离心力使得球形的地球由两极赤道逐渐膨胀,成为略扁的旋转椭球体,极半径比赤道半径约短21千米。
地球可以看作由一系列的同心层组成。地球内部有核、幔、壳结构。地球外部有水圈和大气圈,还有磁层,形成了围绕固态地球的“外套”。
地球从地表至第一个界面为地壳,它是由坚硬的岩石组成的固体外壳,平均厚度33公里,由沿海往内地增厚,第二圈层为地幔,其上层为上地幔,与地壳岩层组成地球的岩石圈,岩石圈厚约100公里。岩石圈以下至400公里处称软流层,是岩浆的主要发源地。软流层至地球内部第二个界面为下地幔,其间压力在3万至130万个大气压,温度高达1400℃至2000℃。第二个界面以下为地核,物质具有巨大的密度,每立方厘米高达17.9克。值得指出的是,上述地球内部圈层的划分主要是以地震波传播速度的变化作为依据的。
我们所知,地核分为外地核与内地核。地球存在自转,而地核也存在自转,两者是一种差速转动的关系。也就是说,经过一百万年,地核将比赤道多转了一度。然而,随着时间的推移,由于处于外地核上的液态物质凝结于其表面,使得地核自转增加得非常缓慢。而在这个过程中,内地核东西半球在转速上的差异性对地核自转的影响是如何进行关联的,还需要进一步证实。
剑桥大学地球科学系博士生Lauren Waszek,也是该文的第一作者解释说:“较快的自转速率与对内地核半球的监测数据不符,因为没有足够的时间将这种转速上的差异作用于内地核结构。这个问题就像一个物体不可能有两种属性。然而,我们却从半球结构的演化中得出了地核的转速,因此这也是第一次将内地核半球结构同自转的问题联系起来。”
为了进行本次研究,科学家将地震体波穿透5200千米深的内地核,通过比较震波总的用时与从内地核表面反射回来所消耗的时间,这个时间差将揭示出内地核上方90千米处的转速。他们将这个数据与内地核东西半球转速的差异相关联。他们首先监测到东西半球存在转速上的差异,并通过对两个半球分界线的研究后发现它们都向东移动。由于内地核随着时间推移向外扩张,其外层结构就比内部更深处来得年轻,而两个半球分界线的差动导致了内地核的自转。所以只要获得了分界线差动和地核扩张的参数,我们就能算出地核的自转速率了。
虽然地核位于5200千米深的地下,但是其依然能对地表产生影响。特别是随着内地核向外扩张,凝固过程中释放的热量又促进了外核中液态物质的对流。这种对流就产生了地球的磁场。如果没有地球磁场,太阳辐射将长驱直入,生命也就不可能存在了。
这个研究报告是第一次发现内地核自转速率是如此的缓慢,同时也提供了一个非常有价值的研究方向:是否可以建立一种模型,来模拟外地核的液态物质对流,使我们对地球磁场的演化有一个更为深入的了解。 [5] 
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