科學(xué)家是如何知道地球內(nèi)部情況的，這比探索太空更加困難

2021.05.10

地球內(nèi)部的極端環(huán)境使探索變得不可能。但是地震期間的地震波、火山爆發(fā)以及來自太陽的光波都有助于我們揭示地幔、地殼和地核。

最后的前沿并不是太空，而是地球本身。我們已經(jīng)把人類送上了月球，把機(jī)器人送上了火星，還把“新地平線”太空探測器送上了距離地球32.6億英里的冥王星。然而，就在我們腳下4000英里的地方，深不可測的高溫和壓力讓我們無法觸及地球的中心。但是科學(xué)家們通過研究隕石、火山爆發(fā)和地震引發(fā)的地震波，已經(jīng)能夠解開地球內(nèi)部的謎團(tuán)。

我們?nèi)ヌ剿髌渌行?，但在很多方面，進(jìn)入地球內(nèi)部并弄清楚地球內(nèi)部有什么實(shí)際上在技術(shù)上比進(jìn)入太空更難。

地球主要有四層：地殼、地幔、外核和內(nèi)核，以及這些層之間的過渡帶。我們所知道的世界位于構(gòu)成地殼的構(gòu)造板塊上，地殼的厚度從3英里到40多英里不等。地殼下面是地幔，這一層巖石占地球體積的84%。上地幔中的巖石是白熱的，但如果你能把它們冷卻到室溫，它們會呈現(xiàn)出帶有斑點(diǎn)的橄欖綠色，這要?dú)w功于礦物橄欖石。斯坦福大學(xué)的礦物物理學(xué)家溫迪毛說：“我認(rèn)為中上部的地幔會非常漂亮，因?yàn)樗鼤情蠙炀G色（大約60%），而且它還會有石榴石（紅色礦物）?！?/section>

在地幔深處，熱量和壓力使組成橄欖石的原子重新配置成兩種新的礦物，布氏巖和鐵方鎂石，它們在室溫下呈棕黃色和棕黃色。在巖石的地幔下面，有翻滾的液態(tài)鐵（和少量鎳）的外核，其周圍是一個由固體鐵（也含有一些鎳）組成的內(nèi)核，其大小約為月球的70%。地球中心的溫度幾乎和太陽表面一樣高，大約9800華氏度。

但我們還沒有去過地球內(nèi)部的任何一個地方。我們還沒有發(fā)送相機(jī)或探測器來帶回像煤余燼一樣發(fā)光的鐵樣本。那么，我們怎么知道有什么呢？

地震揭示結(jié)構(gòu)

當(dāng)構(gòu)成地殼的構(gòu)造板塊相互移動時，它們有時會相互抓住并斷裂。這種破裂，以及隨之而來的能量波被稱為地震。釋放出來的地震波遠(yuǎn)離震源傳播，可以告訴科學(xué)家地震發(fā)生的時間和地點(diǎn)。

探測地震波并不是什么新鮮事。中國科學(xué)家張衡在近2000年前建造了早期地震檢波器。在1889年，科學(xué)家在了解地球方面取得了突破。當(dāng)時一位德國研究人員在柏林附近探測到一場地震，但出現(xiàn)了一個問題，那天附近沒有地震。事實(shí)證明，確實(shí)發(fā)生了地震（發(fā)生在日本），地震波在一個多小時后到達(dá)了德國。它標(biāo)志著現(xiàn)代地震學(xué)的一個關(guān)鍵點(diǎn)。

地質(zhì)學(xué)家把地震學(xué)比作我們使用x射線的方式看到人體內(nèi)部，我們的肌肉、器官和骨骼密度的不同，意味著x射線通過它們的方式不同。地震將地面振動傳遍地球，并以不同的方式傳播到世界各地。地震儀記錄這些振動，告訴我們地球內(nèi)部的情況。

地震學(xué)家解釋來自地震的數(shù)據(jù)，甚至用爆炸模擬地震活動，他們的研究表明，地球內(nèi)部有不同的層，其中一些層對地震波的傳播比其他層更容易。它們甚至可以告訴我們這些層的密度。然后，另一個被稱為礦物物理學(xué)家的科學(xué)家分支從那里著手，確定到底是什么構(gòu)成了這些巖層。

了解礦物質(zhì)

芝加哥大學(xué)的礦物物理學(xué)家安德魯·坎貝爾說：“在理解地球可能的組成部分方面，存在著天文和宇宙化學(xué)方面的限制?！被旧希厍蛏系脑胤植紤?yīng)該與隕石和太陽中的元素大致匹配。

坎貝爾解釋說：“太陽系中組成行星的元素應(yīng)該和太陽中的元素一樣?！边@是因?yàn)楹阈莾?nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了組成像地球這樣的行星的元素。通過觀察太陽發(fā)出的光的波長，并將這些波長與從已知元素反射的光進(jìn)行比較，科學(xué)家們可以收集到太陽的化學(xué)組成。

坎貝爾說，光線顯示，這里有大量的硅、氧、鎂和鐵，以及其他元素如鉀和鈣。他補(bǔ)充說，太陽中元素的相對數(shù)量與我們在某些原始隕石中看到的類似，這加強(qiáng)了我們的理解，即這些原始隕石是我們組裝類地行星的基石。

這些來自地球之外的線索可以讓我們了解這顆行星構(gòu)成的關(guān)鍵因素，就像含有地幔碎片的火山巖一樣。地震學(xué)告訴我們，地球有一個堅(jiān)固致密的內(nèi)核。由于太陽和隕石比其他重元素如鈷、鎳或鉻含有更多的鐵，我們知道鐵是構(gòu)成我們的構(gòu)成材料的很大一部分?！?/section>

礦物物理學(xué)家們也找到了一些方法來模擬地球內(nèi)部的環(huán)境，這些環(huán)境會影響組成它的物質(zhì)。例如，溫迪毛曾做過研究，研究地球核心的鐵在很久以前是如何在巖石地幔中緩慢地沉淀下來的。為了模擬地球內(nèi)部的巨大壓力，她使用了所謂的鉆石砧室。她說：“我們?nèi)深w鉆石，把頂端切掉，取一小塊表面積，在它們之間放一個小樣本，然后擠壓它們的背部?！庇捎诹性诤苄〉谋砻娣e上（大約人類頭發(fā)絲的寬度），它的合成方式可以與地球內(nèi)部的壓力相媲美。

由于科學(xué)家們還沒有找到到達(dá)地球中心的方法，這些不同學(xué)科之間的合作對于理解我們腳下的東西至關(guān)重要。

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