地核里有什么

许英奎

上天容易入地难，虽然人类可以发射探测器到遥远的外太阳系，可以用哈勃望远镜观测百亿光年以外的宇宙空间，却很难对地球内部物质组成和结构有直观的认识。目前，人类最深的钻探工程也只达到地表以下一万四千米，连地壳都没有打穿。而探究地核物质是什么，只能依靠间接的方法。在这个过程中，地质学家和地球物理学家就像侦探一样通过地核活动的蛛丝马迹和他们严谨的逻辑分析，带我们一步步揭开地核的面纱。

探测工具——地震波

地震波是科学家研究地球内部物质和结构的主要方法之一，地壳、地幔、地核的界面也是由地震波探测识别出来的。20世纪初，地球物理学家莫霍洛维奇在研究南斯拉夫的一次地震时候发现地震波传播速度在地表下面30公里处存在一个不连续的界面，说明在这一深度上下物质密度相差很大，科学家们认为这个界面是地壳和地幔的分界面，称作“莫霍面”。随后，地震学家古登堡发现地下2900公里处也存在一个地震波急剧改变的界面，也就是地幔和地核的界面，称为“古登堡面”。最初人们认为地核是液态的，因为横波不能穿过液态物质，而地震波也显示在这一界面出横波消失。随后丹麦女地质科学家莱曼对地核地震波速度进行了更精确的测量，发现在地核内部某一个界面处，横波又重新出现，据此推测地核分为内核和外核，外核是液态物质而内核是固态物质。后来，科学家通过实验发现地震波在地核中的传播速度与其在铁介质中传播速度接近，于是推测地核可能是由高压状态下的铁组成。

类比样品——铁陨石

另外一个研究地核物质的方法是铁陨石。虽然我们无法拿到地核的样品，但是可以通过类比样品—铁陨石来研究地核。铁陨石被认为是分异后的小行星核部物质，在星際空间被其他天体撞击后抛射降落到了地球。科学家对铁陨石进行了大量的研究，其主要成分包括铁、镍和其他一些与铁有亲和性的元素，也称为亲铁元素。虽然可以用铁陨石类似代表地核，但是由于铁陨石来源的小行星体积小，压力小，无法和地球内部超高的压力比较，而元素在超高压的行为又“变化莫测”，因此还不能完全以铁陨石代表地核。

地核中的轻元素

地核中除了铁—镍和亲铁元素之外，还有其他一些轻元素。这个观点最早来源于对地核密度的评估，因为实际地核比铁—镍核的密度要低12～20%。有哪些元素可以在地核的温压条件下进入铁核中呢？实验岩石学家做了许多高温高压实验，发现在极大的压力下一些轻元素的行为会发生转变，包括氧、硫、氢、碱金属等都可能在地核中存在。这些轻元素不仅能降低地核的密度，对解释地震波在地核和纯铁相的波速差异也有帮助。该领域是国际前沿热点，目前尚不能准确评估地核中各种轻元素的含量。

地核发电机的动力来源

地核物质组成还需解释的一个观察事实是地球磁场的起源。科学家认为地磁场的产生跟地核的液态物质对流有关，因为持续变化的电场会产生稳定的磁场。但是要保持地核物质长期持续对流，需要非常多的热量。如果没有持续的热量供给，地球也会像月球一样，很早就失去磁场。科学家发现，地表的钾元素在地球核幔边界超高压力下会和铁结合形成合金，这样会提高钾在地核中的溶解度。而钾元素具有天然的放射性同位素40钾，40钾在放射性衰变时释放巨量的热量，为地核发电机的持续运行提供了能量。因此，地核中的钾元素可能会非常多。

虽然科学家已经初步识别出地核内的元素种类，但是更为详细的工作还有待开展。相信不远的将来，人类会对地核的物质组成有更为深入的认识。