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  你可以遐想有那么一天,人类能到达毗邻行星进行自由探险,使用大功率望远镜认知与我们周围的星球。总有一天,我们也将切实探索地球上大洋深处的每一寸土地,以及人烟未至的原始森林。但是我们很可能永远无法到地球中心去旅行。目前最成功的超深钻井仅仅到达地下12公里深,这只不过地球半径的0.2%,因为我们不得不在钻探设备遭到高温熔解之前停止钻进。由于温度压力极高,地球内部很可能永久性的成为人类无法到达的禁区。

【刚果民主共和国的尼拉貢戈火山(Nyiragongo Volcano)熔岩湖。】

  也许就是这样的原因,对地球内部景观认知的向往,一直令我们为之神魂颠倒。地球深处在许多传统宗教和对宇宙的认识中都扮演着重要角色。最近,科学界已经开始对地球深处进行间接探索,逐步提高我们对地球本质的了解。下面,我们按历史沿革来讲述人类对脚下这个火热、神奇的地核的不断演进的认知,不论它来自宗教,还是来自科学。

烈火炼狱

  【意大利画家米凯利诺1465年绘制的但丁《神曲》的局部:基督教认为罪人都会在死后进入烈焰熊熊的地狱。】

  也许对地球中心最广为流传的传统宗教认识就是一片火海,罪孽之人会被送到这里一命归阴。对,你已经猜对了,这就是人们常说的地狱。且不论它与逝者的“另一个世界”的联系,本质上讲,用一个大火坑来形容地下世界的这种认识,的确还比较靠谱。或许,许多宗教和宇宙观都取得了正确的认识也不足为奇:偶尔的火山爆发将古老文化与地下恐怖的地狱之火联系起来。

  “烈火与硫黄”作为对地狱的最常用比喻之一在基督教圣经中频繁出现。而实际上,硫黄正是火山喷发物中最常见的矿物。

大力神龟

【艺术家描绘出的神话场景:由站在龟背上的大象支撑起来的世界。】

  许多亚洲和美州本土文化并未将地球内部形容为十八层地狱,而是假想大地深处存在一只巨大的龟。这只“世界之龟”用它的背部驼着平坦的、或穹窿状的、而不是球形的地球。这个神话有几个不同版本:古印度人用大象取代了龟;而其他历史学家在也许其宇宙观中综合了两种神话,认为站立在龟背部的大象支撑着我们赖以生存的地球。

  为什么是龟?正如人类学家Frank Speck在1993年出版的、关于特拉华州印第安人的“世界之龟”神话的专著中指出的,之所以选择龟不仅是因为其背部合适的曲线形状,而且因为特拉华州人相信龟象征着毅力、长寿和稳固。另外,他们认为时间和龟相同,它们都从东向西不断前进。

  那么龟的下面又是什么呢?绝大部分神话中并没有详细说明。物理学家斯蒂芬霍金在《时间简史》中讲述了一段非常著名的轶事:一位信奉世界之龟驼着地球的女士被问及这个问题,她回答说另一只龟驼着世界之龟,又一只龟再驼着这只龟,由很多龟一直驼下去的一个龟塔支撑着地球。

黄金宝核

【一些地质学家相信地核中有1.6千万亿吨黄金。】

  伯纳德 伍德是英国牛津大学的地质学家,他计算出地核中蕴含多达1.6×1015吨的黄金。这些黄金足以在整个地球表面镶上1.5英尺(约46厘米)厚的“金钟罩”。他还认为地核中还含有6倍于此的贵金属铂金,以及镍、铌以及其它“亲铁”元素。伍德先生的假说是在分析了陨石中金属元素含量后提出的。这些陨石和其它的“星子”类似,是太阳系早期相互撞击并结合组成地球的小天体,但它们含有比地球表层高很多的金、铂等元素;由此可以推断,在地球形成的过程中,地核中的铁将这些元素汲取到地球核心。

  上面的简图其实对事实进行了夸张渲染:虽然1.6×1015吨的黄金拿到地表来说数量巨大,但金原子数量只不过是地核中所有原子数量的百万分之一。根据陨石、地球的质量和密度(由地球对月球及其它行星的轨道参数影响计算而得),科学家相信地核中大部分元素是铁和镍。

洋葱圈

  【图为1994年1月17日,加州发生6.9级地震后,世界各地测得的地震波,地震波可以帮助地质学家勾画地球内部的样貌。】

  地壳中的隆隆轰鸣向我们娓娓道来隐藏在其底下的秘密。发生地震时,地震波在地球的地壳、地幔、外核和内核之间发生变向和折射;并被分布在世界各地的地震观测台记录在震波图中。科学家根据这些地震波数据,反演出地球的内部结构。

  那么地下的圈层结构究竟是什么样的呢?在地球的最中心处是一个固态的铁镍质球体。地球最中心温度高达5500摄氏度(9900华氏度),和太阳表面的温度相当,而且其压力高达地表大气压的300万倍。如此高压使得金属的熔融温度也显著增高,所以尽管地球内核高温如是,它仍然能够保持固态。

  在距离地心1216公里处,压力降到足够低以使得铁镍发生熔融。大卫.斯蒂文森是加州理工学院的地质学家,也是地核研究方面的领军人物;按照他的说法,处于熔融状态的地球外核占据了地核总体积的95%。

  地幔分层开始于距离地心3500公里的地方。在这里熔融的岩石组成了地球内部最厚的一个圈层,占据地球总体积的84%。地幔的外部就是一层薄薄的的地壳——我们美丽的家园正建筑于此。

晶体球

  【左图中的球按照“面心立方”的排列方式堆积,而右图的晶体结构是“密堆积六方”。这是地核中的金属晶体结构的两种假想。】

  有证据表面,地球内核并非是均质的。科学家注意到地震波沿两极方向穿过地核的速度,比从赤道方向穿过地核的速度要快。这意味着地球内核是“各向异性的”,也就是说其内部结构在不同方向上是存在差异的。绝大部分专家认为这是因为地球内核由各向异性的晶体组合,而且这些晶体受地球磁极作用而定向排列的结果。

  华盛顿卡内基学院的地球物理学家罗纳德 科恩发现了地震波在水平方向和垂直方向穿过地球内核时的时间差异,这和地球内核由铁镍两种原子晶体混合排列的假说相吻合。一部分铁镍原子晶体似乎是以密堆积六方结构排列的,而其它的则以面心立方体的结构排列。简单的说,地球内核中存在两种晶体,而其中的原子就像上图中的那些球体一样堆集在一起。

  按照科恩的见解,这些晶体相互紧紧依靠,在地核中心压力最高的地方堆集,就像岩石一样,并且,晶体之间也许也存在一些液态组分。

密林禁区

  【日本地质学家的实验显示,铁和镍构成的地核可能看起来像10千米的晶体树组成的森林一样。当然,在原子尺度上,铁镍原子还是像上个小标题“晶体球”那样排列,只是在比原子尺度大得多的宏观形态上,这些晶体才会就看起来像树一样,有尖尖的枝桠。】

  日本地质学家基广濑最近开展了一项非常有趣的试验,以极小得规模重现了地核的温压等条件。使用由金刚石的夹钳工具,将一块铁镍合金加热到4500摄氏度、300万个大气压的状态。基于样品在类地核条件下的反应,他推断地核中的晶体也许有10千米高,而且沿地球两极方向排列。基广濑将地核描述为“晶体森林”。

  本文编译自:Religion and Science: 6 Visions of Earth‘s Core

 

 

 

 

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