一直以來，我們認為地球的內部是由地殼、地幔、外核和核心組成的。雖然地殼和上地幔的淺層結構已經被被描繪得非常詳盡，但關於更深處的結構，我們仍處於探索階段。近年來，越來越多的證據表明，地球的固體核心是由不同層組成的，只是仍不清楚它們的性質。
地球的結構。（圖/Wikimedia Commons）
現在，在一項發表在《自然通訊》上的新研究中，一組科學家通過利用多個地震計檢測來回穿過地球中心的地震波，確認了在核心之內，還嵌有一個獨特的金屬球體，即存在一層「最內層核心」。
窺探地球的內部
當地震學家想要了解地球深層的內部細節時，他們會利用大地震的地震波，以及用來記錄地面運動和地球振動的地震計等儀器。在大地震發生後，地球會像鐘擺一樣振動，振動時間可長達幾天。這可以為想要通過地震波來研究地球內部細節的科學家，提供足夠多的資料。
然而，震源和地震計並非平均地分佈在地球各地，大多數大地震都發生在板塊邊緣附近，比如環太平洋的火山帶，而地震計則主要被安裝在陸地之上。
此外，由於核心雖佔地球半徑的1/5，但實則只佔地球不到1%的體積。因此，要想觀察地球中心如此小的一處體積，通常需要將地震計放置在地球的另一側，即所謂的地震對蹠點。如此一來，科學家就可以觀測地震波多次來回得穿過地球中心。
反彈地震波
在新的研究中，研究人員對過去十年中的約200次6級以上的地震資料進行了分析。他們採用了震源附近以及對蹠點的波形資料，觀測到了由地震產生的多達5次的在地球兩端來回傳播的強烈地震波。
他們發現，隨著地震波穿過地核，波的強度會逐漸顯示出減弱的跡象。於是，他們採用了一種名為「疊加」的技術，將來自單個事件的波形結合起來，為地球的最內層核心構建出了更詳細的圖像。最終檢測到了這樣一個存在於核心最內部的結構。
沿著地球直徑來回反射5次的地震波，為探測地球核心的結構提供了一種新的方法。
有趣的是，他們並沒有在最內層金屬球和核心的外層之間發現潛在的化學成分差別，這二者看起來都是由鐵鎳合金和少量較輕的化學元素構成的。這一點與在地球的其他一些層級之間出現的情況不同。
另外，他們還發現從這個最內層核心的固體球體到同樣是固體的外層核心的轉變，似乎是漸進的，而非急劇的。這就是為什麼我們無法通過地震波的直接反射來觀測它。這一點也與在地球內部的其他層級之間觀察到的明顯界限有所不同。
各向異性確認球中小球
那麼，新研究究竟是觀測到了什麼，才得出了存在這樣一個最內部核心的結論？
答案是，各向異性的差異。所謂各向異性指的是材料的一種特性，在擁有這種特性的材料中傳播的地震波，其傳播的速度和方式會因傳播方向的不同而不同。速度的不同可能是由高溫高壓下的鐵原子的不同排列引起的，也可能是由晶體生長時原子的排列引起的。
研究人員發現，地震波在地球核心的最裡層（估計約有650千米厚）的傳播方式，與在核心外層的傳播方式不同。已經有證據表明，核心的外層是各向異性的。地震波的最慢方向是在赤道面上，最快方向是平行於地球的自轉軸的方向。
相比之下，核心中的最內層部分的最慢傳播方向與赤道面形成一個斜角。也就是說，穿過核心的最內層的波的減慢方向，與穿過外層的波的減慢方向不同。這一點至關重要，因為它標誌著在核心的最內部，存在「明顯不同的」各向異性。
地球核心與地表生命史
這是一項令人興奮的研究，研究中所使用的技術為探測地球核心及其中心區域提供了一種有效的新方法。其實，這種技術通常用於礦產勘探，但在地球物理學中並不常用。它的一個關鍵優勢就在於，這些資料來自於在地球內部沿地球直徑傳播並多次反彈穿過地球中心的地震波，通過捕捉這些地震波，可以幫助研究人員獲得一個無與倫比的最內部核心的圖像。
研究地球的核心除了滿足我們的好奇心之外，還具有其他重要的學術意義，比如它可以幫助我們理解地球的固體核心是如何形成的，了解地球磁場的形成，進而揭示地球表面的生命進化過程。
#創作團隊：
撰文：小雨
設計：雯雯
#參考來源：
https://theconversation.com/in-a-new-study-weve-observed-clues-that-distinguish-the-very-deepest-part-of-earths-core-200258
https://www.eurekalert.org/news-releases/980308
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00496-1#ref-CR1
#圖片來源：
封面圖&首圖：DREW WHITEHOUSE, SON PHẠM AND HRVOJE TKALČIC
