地核深藏于地表2900km之下，其半徑約?3470km，占據(jù)了整個地球?1/6?的體積和近?1/3?的質(zhì)量。對于我們?nèi)藖碚f，地核是地球中最遙不可及的一部分，向地球內(nèi)部打鉆比飛向外太空更具挑戰(zhàn)性，宇宙飛船已經(jīng)飛過了離地球200?多億公里的太陽系邊界，可是人類打過的最深的鉆孔，離地表還不超過13km。再加上火山噴發(fā)也不可能將新鮮的地核樣本帶到地面，因此，迄今為止，我們還無法取得任何新鮮的地核樣本，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分只能通過間接的手段來推斷。

　　通過地震波提取地核結(jié)構(gòu)的信息（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

　　科學(xué)研究表明，在地球形成初期，地核并沒有分為固態(tài)內(nèi)核和液態(tài)外核，那么，地核開始冷卻的時間，就是地球內(nèi)核的誕生時期，也是地球內(nèi)核的年齡。但地核何時開始冷卻的也是一個難題，因此多年來，關(guān)于地核的實際年齡一直存在多種混亂的答案，有學(xué)者認(rèn)為是非常古老的45億歲，也有學(xué)者認(rèn)為是十分年輕的5.65億歲。

　?。▓D片來源：自制）

　　為了解決這個難題，科學(xué)家們想到，可以模擬地核的冷卻。我們已經(jīng)清楚地核絕大部分是（超過?80%）由鐵組成，同時還有部分（約占地核質(zhì)量的?5%）鎳，其余的是比鐵輕的元素，比如氫，氧，碳，硅或硫。因此，如果我們研究出了鐵的性質(zhì)，也就相當(dāng)于知道了地核的性質(zhì)，便能推斷出地核的年齡。對于研究地核來說，最重要的性質(zhì)就是鐵的熱導(dǎo)率（傳遞熱量的效率），它是確定地核許多屬性的關(guān)鍵。

　　地核中的化學(xué)浮力（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

　　研究人員通過高溫高壓實驗，在實驗室條件下重現(xiàn)地核溫度壓力條件（壓力約170 GPa，溫度約3000 K），測得了鐵的電阻率，進(jìn)而計算出鐵的熱導(dǎo)率。在考慮了其他物質(zhì)成分對鐵的熱導(dǎo)性的影響情況下，研究人員利用鐵的熱導(dǎo)率對地球內(nèi)核的年齡做出更精確的估算，實驗估算表明地球內(nèi)核大約是在10～13億年前形成的。

　　地核的熱傳導(dǎo)模式和能量平衡模型（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

　　同時，該研究也表明“地球發(fā)電機(jī)”（科學(xué)家認(rèn)為磁場是通過地核中熔融的鐵合金對流而產(chǎn)生的，稱為地球發(fā)電機(jī)）是由兩種不同的能量來源和機(jī)制維持的，即熱對流和成分對流。有學(xué)者認(rèn)為，在更早的時候，內(nèi)核更小甚至不存在，因此成分對流要弱得多，熱對流將在驅(qū)動早期地球發(fā)電機(jī)中起關(guān)鍵作用。也有學(xué)者認(rèn)為，早期地核的另一種能量源自化學(xué)分化，如鎂或氧的出溶，這也是早期地球發(fā)電機(jī)的驅(qū)動力。

　　這次研究的結(jié)果更偏向于第二種模式：由于在地核形成期間，地核的溫度足夠高，所以鎂或氧進(jìn)入地核以鐵合金的形式存在。隨著地核的冷卻，它們變得過飽和，并在核幔邊界（CMB）處以鎂-硅-氧礦物（Mg-Si-O）的形式沉淀。這個過程可以在內(nèi)核形成之前有效地提供成分對流，這將與熱對流結(jié)合共同驅(qū)動早期的發(fā)電機(jī)。

　　地球發(fā)電機(jī)機(jī)制的圖示（圖片來源：Wikipedia）

　　地球是我們獨一無二的家園，只有更清楚地認(rèn)識她，才能更好地保護(hù)她。對地球內(nèi)核年齡的測定，讓我們對地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，也為地球磁場起源，地球內(nèi)核的物理、化學(xué)變化有了更多的了解。而要想更加清晰地了解地球，還有很長的路要走，需要一代又一代科研人員繼續(xù)努力，探索更多關(guān)于地球的奧秘。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.?10000?個科學(xué)難題·地球科學(xué)卷 “10000?個科學(xué)難題”地球科學(xué)編委會.?北京:?科學(xué)出版社，2010

　　2.?C. Patterson. Age of meteorites and the Earth, Geochim. Cosmochim. Acta, 10 (1956), pp. 230-237

　　3. Youjun Zhang et al., Reconciliation of Experiments and Theory on Transport Properties of Iron and the Geodynamo. Phys. Rev. Lett. 125, 078501 – Published 13 August 2020

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