“表里不一”的地球：內核自轉速率竟快于地表

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是什么導致了地球內核的差速旋轉？專家指出，在外部力矩作用下，地球內核會相對于地幔轉動，使得內核自轉與地球的自轉速率不一樣。這個外力可能來自地球磁場與內核的耦合及地幔與內核的重力耦合。

近日，美國南加州大學的研究團隊重新分析了1969年和1971年2次地下核試驗后近6年的地震波數據，發現地球內核自轉速率在1969—1971年比地球整體慢了0.1度，而在1971—1974年又比地球快了0.29度。這標志著科學家首次通過地震學觀測，驗證了地球內核6年周期往復振蕩的理論。

為何地球內核與地球的旋轉速度會不一致？宇宙中其他天體也存在這種現象嗎？科學家又是如何“透視”天體內部情況的？

地球內核被稱為“星球內的星球”

很多人認為，地球應是一個整體，內核的旋轉速度和方向應該和地球保持一致。可是事實卻非如此。“地球從誕生伊始發生了多種動力學過程，如星子匯集聚合、沉積分異、巖漿海和地殼冷卻等，這使得地球整體由外向內出現了地殼、地幔、液體外核、固體內核等類似洋蔥或煮熟雞蛋那樣的分層結構。”中國科學院國家天文臺研究員平勁松表示。

地球物理學家、北京大學講席教授宋曉東對科技日報記者表示，地球作為一個天體，是整體自轉的；但是根據以往的觀測，地球內核自轉與地球自轉在速率上稍微有點差別，這就是內核的“差速旋轉”。因此，地球內核也被稱為“星球內的星球”。最新數據顯示，地球與地球內核的轉動速率每年相差大約0.1度，不過這個速率很可能隨時間而變化。

是什么導致了地球內核的差速旋轉？宋曉東指出，在外部力矩作用下，地球內核會相對于地幔轉動，使得內核自轉與地球的自轉速率不一樣。這個外力可能來自地球磁場與內核的耦合及地幔與內核的重力耦合。理論上，內核自轉既可以比地球自轉快，也可能稍慢。

記者了解到，目前地核研究的主流理論模型認為，地球內核的轉速是恒定的，地球自轉存在一個約6年（5.9年）的周期震蕩。在解釋6年周期震蕩機理方面，科學家給出了包括地球內部地磁異常、核幔耦合振蕩、地球內核震蕩等多種推測。

不過，在本世紀初，平勁松所在的研究地球自轉固體潮汐的團隊使用長期固體潮汐監測數據發現了11.5—12年的地球內核振蕩周期，這個周期與木星的軌道周期一致。“地球自轉5.9年的周期變化，正是木星公轉周期的一半。”平勁松認為，正是木星協同太陽合相作用在地球殼、幔上力矩大小的周期變化，引起了地球內核自轉速率的變化。

“地球內核的自轉速度或許會稍快于地幔，但是速率會一直保持恒定。而地殼和地幔的自轉因受到內部和外部的力矩、荷載等因素影響，轉速會出現時快時慢或相對方向變化的現象。”平勁松說，多重因素作用下，導致地球自轉變化不可簡單預測、預報。

平勁松指出，除了地球之外，內部結構與地球類似的伴星如月球，以及金星、火星和氣體行星的衛星、矮行星等，其自轉也會發生時快時慢或方向變化的現象。

其中，人類已利用地月激光測距技術對月球自轉周期的變化持續觀測了約50年；近幾年，火星的自轉變化也被“洞察”號上的星地微波鏈路所證實。

法國圖盧茲天體物理和行星研究所博士后李剛補充道，恒星內部圈層間也存在自轉速度的差別，被稱作“較差自轉”。天文學家發現，小到白矮星、中子星等，大到星團和星系都存在較差自轉。以太陽為例，在深度為0.7個太陽半徑處，有一個厚度為0.04個太陽半徑、被稱作“差旋層”的區域，以這里為界線，太陽的自轉情況發生了急劇變化：在差旋層以里，太陽的較差自轉不是很明顯；而在差旋層以外，太陽在不同深度和不同緯度都呈現出非常明顯的較差自轉。

天體“氣質”與其內核密切相關

所有行星內核都存在差速旋轉機制嗎？平勁松介紹，行星的內核主要有3種類型，分別為固體核、液體核以及液體外核與固體內核的組合體。地球的內核歸屬于第三類，既包括一個巨大的液體外核，又含有一個富含鐵鎳的固體內核。

固體核與液體核的行星“氣質”各不相同。平勁松指出，固體核的行星，其核心的轉動與行星整體保持同步。而液體外核，液體或半液體核幔邊界的行星，其固體內核或固體核的轉動可以與幔不同步。

一個擁有液體內核的行星，極大可能是處于行星形成的早期階段，其自身的轉動有點像一個旋轉著的生雞蛋，轉速較快且方向和轉速都不穩定；隨著能量耗散衰減、分層固化，自轉速度逐步減慢和穩定。

那么，恒星的內核又是什么樣子的？李剛表示，恒星通常有一個正在核反應燃燒的內核。不過，不同年齡的恒星內核差別也很大。他舉例道，太陽這類正值壯年的恒星，有著燃燒氫元素的內核；而年老的恒星，有的內核可能已停止燃燒，但存在一層圍繞內核燃燒的包層；有的可能內核被再次點燃，繼續燃燒氦元素或者更重的元素；還有的可能最終走向死亡，只留下一個燃燒殆盡、慢慢冷卻的內核。

“恒星內核的性質直接決定了恒星的外貌。”李剛解釋說，相比于太陽，年老的恒星大多溫度低但明亮；而已經死亡的恒星，如白矮星和中子星則顯得暗淡但溫度高。

借助震動波透視天體內核

科學家是如何透過天體表面，探測天體內核旋轉方向的？

宋曉東告訴記者，一直以來，科學家通過地震波來探測地球內核的多種物理特性。他解釋道，地球發生地震之后會產生地震波，地震波會向地球深部傳播，研究地震波的傳播速度等性質，可以了解地球深部的結構分層及運動狀況。

宋曉東及其團隊于1996年首次觀測到了地震波通過地球內核時的時間和速度產生了變化，從而推測出地球內核是相對于地幔發生旋轉的。不過，地球內核的旋轉速率目前仍有不確定性，因為旋轉速率本身也很可能在變化。

平勁松指出，利用地震波探測天體內部的方法十分普遍，19世紀科學家就用它對地球分層結構進行了探測；20世紀70年代美國月球探測任務用地震波探測月球的內部分層構造；近年來，歐洲火星探測任務將其用于探測火星的內部構造。

對于恒星，天文學家更難以直接觀測到恒星內部的結構，于是他們借助“星震學”來探測恒星內部。

李剛表示，星震學與地震學很類似，都是通過研究天體內部的震動波來推斷天體的內部結構，有點像日常生活中我們通過“拍西瓜”來判斷瓜熟不熟。但是星震與地震的不同之處在于，星震是持續不斷的震動，而地震只是偶然發生。恒星的震動波會局部壓縮氣體，從而造成恒星溫度和亮度的變化。基于這一特性，天文學家通過長時間監測恒星亮度的變化來觀測恒星的震動，并測量震動的頻率。

恒星震動的頻率會因其內部不同物理過程的擾動而有所變化。“打個比方說，熟西瓜和生西瓜用手拍一拍，聽到的聲音也不相同。”李剛說，天文學家通過高精度的頻率測量和細致的物理模型推演，來計算恒星內部旋轉速率、元素分布等不同物理特性。