震波穿越地核的不同区域时速度会发生变化,有时加快有时减慢。如果地核与地壳的自转速度不同,在地壳同一位置、不同年份的地震所产生的地震波,在穿越地核时速度的变化就会有所不同。
因此,宋晓东等人搜集了过去35年中南桑德威奇群岛的地震资料,从中找出17对发生年份不同、但震源和强度非常相似的地震波,并通过阿拉斯加的地震监测站接收到的数据,来比较它们穿越地核的速度变化。结果宋晓东等人发现,地核与地壳存在相对运动。
他们解释说,地核转动更快的原因是电磁作用。地壳产生的磁场向内部散布,由于地核是铁质的,在磁场中就会产生电流,电流与磁场互相作用,会使地核转得稍快一些,这好比电动机里的电枢转动,而液态的外层地核摩擦力较小,不能起到减速作用。
跟踪地震波
宋晓东和同事保尔·理查兹博士利用从五十多次地震现场和1967年到1995年期间重大核试验现场发出的地震波测到的数据,观察地球内核,其方法就像医生利用超声波观察孕妇肚子里活动的胎儿一样。其结果发现地球固态内核在高速自转。在发生大地震和-时,地震波就像池塘中的涟漪一样,向外辐射,科学学们借助于传感器就可以接收来自地下微弱的震动,从而测出它们的路径和速度。以过多年的潜心研究,地震学家跟踪地震波,终于有了这一惊人的突破,标志着一个全新领域的开端。
现在,科学家们人为地球的固态内核是一个巨大的晶体球,是由紧密排列的铁原子构成。地核的轴大约与地球的轴倾斜10度,当发生地震时,穿过地球的地震波的最快路线是由晶体结构决定的。通过多年来跟踪这条路线两头到达地球表面的点的变化,宋晓东博士和理查兹博士发现了地核相对于地壳在旋转。他们估计内核自由旋转的速度每年约为0.4~1.8度,一周为360度,每过约4000年重叠一次。在过去一个世纪里,内核与外壳位移了约90度。这对于地质运动来说是一个如同光速一样巨大的速度,比大陆漂移速度快十万倍。而哈佛大学的研究小组组长亚当·德兹文斯基博士发现内核的旋转速度每年可达3度,约100年重叠一次。
宋晓东的博士论文是研究近南极洲的南大西洋的地震反射波是如何穿过地球的,这种反射波可在阿拉斯加州的地震台观测到,从而揭示了内核构造的线索。他通过研究自80年代以来的地震资料(这些资料在他做博士论文时就已获得),再与90年代收集到的资料进行对比,发现90年代穿过内核震波的时间比80年代明显地快,很明显内核在相对于地表旋转。他们还对其他资料作了对比,包括前苏联几十年前在其北边的北极圈内的一个岛下进行的大型核-时,在南极洲获得的震波数据,都得出了同样的结论。理查兹博士兴奋地说:“当我开始得出这些结果时,我都不相信,这太令人激动了。”这一发现会有助于更进一步了解热量是如何在地球中流动了,地球内部多年来是如何演变的,磁场是如何形成的,又是如何发生周期性方向转变的。正是由于这种热量的运动才使得地球表面的地壳层产生运动,形成山脉和海洋,大陆分离,引起地震。
内核快速自转的原因
科学家认为:地球内核的旋转很可能是由于内核与地球熔态外核流体所产生的巨大磁场的互相作用而引起的。这些磁场所产生的力距使得内核旋转较快,这与电动机中的旋转磁场引起电枢旋转的原理相同。理查兹博士说:“这就像一台巨大的电动机,产生了巨大的电流。这又转过来在地球周围产生磁场。”
四十五亿年前,在地球形成时,由于铁很重,大部分铁沉入到地球内部,最终形成了地球内核与外核。外核是熔铁,再向深处,尽管温度高达7000~8500华氏度(即约3870~4700℃),但由于巨大的压力和密度,使内核铁成为固体。这一固体内核占地球体积还不到1%。地球的内核是一个炽热的固态铁质晶体球,直径为2413.5公里,比月球略小。由于地球内核深藏在地球内部,因而对其研究十分困难。正是由于近十年在地震测量和计算机模拟方面所取得的进展,才使科学家们开始逐步发现地球内核的一些秘密。在地球质量不变,体积不变,各??层特质间不发生角动量交换和忽略外力的条件下,根据角动量守恒定律,一个均速自转的均匀地球演化为一个圈层差异拯的分层地球,可算得地壳、上地慢、下地幔、液体外核和固体内核旋转速度的理想比值为0.6:0.7:1.06:3.27,即重力分异过程使地球各??层呈现有序差异旋转状态。
地质先驱李四光很早就注意到了涡旋星系旋转内快外慢这一共同特征。安德森也指出过含有对流流体的旋转星体呈现出差动旋转和旋涡形对流这一宇宙普遍现象。他们为地球内核快速旋转出示了第一批可经观测到的类似现象。这正是科学家们研究的出发点。
这项发现也提出了很多问题,诸如:内核的旋转速度是否发生变化?内核旋转是否会对地球表面的引力场强度产生明显的变化?科学家们说需要进行许多其他的研究,不仅要探索与其它科学领域的关系,还要进一步证实与精确计算内核旋转速度。哥伦比亚大学的理查兹博士说:“这仅是个开端,已经发表了数百篇很好的论文,现在应该依靠理论进行艰巨的观察了。”
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