地球内核的过冷可能最终揭示它的年龄

地核可能比之前想象的要年轻得多。

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在我们脚下深处，深度超过 5,100 公里，是地球内核——一个由铁和镍组成的实心球，在塑造我们在地表所经历的条件方面发挥着至关重要的作用。事实上，没有它，我们根本不可能存在。

尽管它具有重要意义，但它是如何形成和发展的却有点令人困惑。我们甚至不知道它有多大。幸运的是，矿物物理学使我们距离解开这个谜团又近了一步。

内核负责地球的磁场，它就像一个盾牌，保护我们免受有害的太阳辐射。这种磁场对于创造数十亿年前生命繁盛的条件可能非常重要。

地球内核曾经是液体，但随着时间的推移已经变成固体。随着地球逐渐冷却，内核向外膨胀，周围富含铁的液体“冻结”。尽管如此，它仍然非常热，至少 5,000 开尔文 (K)（4726.85 摄氏度）。

这种冷冻过程会释放出氧和碳等元素，这些元素与热固体不相容。它在外核底部产生一种热的、有浮力的液体。液体上升到液体外核并与其混合，从而产生电流（通过“发电机作用”），从而产生磁场。

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隐秘结晶

为了了解地球磁场在其历史上如何演变，地球物理学家使用模拟地核和地幔热状态的模型。

这些模型帮助我们了解热量在地球内如何分布和传递。他们假设当液体冷却到熔点时，固体内核首先出现，并将其视为开始冻结的时间。问题是，这并不能准确反映冻结过程。

因此，科学家们探索了“过冷”的过程。过冷是指液体冷却到其冰点以下而不变成固体。 大气中的水会发生这种情况，有时会在形成冰雹之前达到-30°C，地核中的铁也会发生这种情况。

计算表明，实际上需要高达 1,000K 的过冷度才能冻结地核中的纯铁。鉴于核心的电导率意味着它以每十亿年 100-200K 的速度冷却，这提出了重大挑战。这种过冷水平意味着地核在其整个历史（1000 至 5 亿年前）中都需要处于其熔点以下，这带来了额外的复杂性。

由于我们无法实际进入地核——人类只钻入地球 12 公里——我们几乎完全依靠地震学来了解地球的内部。内核于 1936 年被发现，其尺寸（约地球半径的 20%）是地球深处最受约束的特性之一。我们使用这些信息来估计核心温度，假设固体和液体之间的边界代表熔点和核心温度的交点。

这一假设还有助于我们估计在内核开始由内外核组合形成之前可能发生的最大过冷程度。如果地核最近才冻结，则内核-外核边界处的当前热状态表明，当内核首次开始冻结时，组合地核可能低于其熔点多少。这表明，核心最多可以过冷约 400K。

这至少是地震学允许的两倍。如果地核在冻结前过冷 1,000K，那么内核应该比观察到的大得多。或者，如果 1,000K 是冻结所必需的，但从未实现，那么内核根本不应该存在。显然，这两种情况都不准确，那么解释是什么？

矿物物理学家测试了纯铁和其他混合物，以确定需要多少过冷度才能启动内核的形成。虽然这些研究尚未提供明确的答案，但已经取得了有希望的进展。

例如，我们了解到意外的晶体结构和碳的存在可能会影响过冷。这些发现表明，以前未考虑过的某些化学或结构可能不需要如此不合理的大过冷。如果地核能够在低于 400K 的过冷温度下冻结，就可以解释我们今天看到的内核的存在。

不了解内核的形成的影响是深远的。之前对内核年龄的估计范围 500 至 10 亿年。但这些并不能解决过冷问题。即使是 100K 的适度过冷也可能意味着内核比之前认为的要年轻几亿年。

了解古地磁岩石记录（地球磁场的档案）中内核形成的特征对于研究太阳辐射对大规模灭绝的影响至关重要。

在我们更好地了解磁场的历史之前，我们无法完全确定它在宜居条件和生命出现中的作用。

这篇编辑过的文章是在知识共享许可下从The Conversation重新发布的。阅读原始文章。