作者：宋曉東、楊翼（分別系北京大學(xué)地空學(xué)院講席教授、特聘副研究員）

　　地球的結構就像一個(gè)雞蛋，由一個(gè)一個(gè)圈層組成。內核是最中心的部分，它雖然遙遠，但與地球的形成和演化息息相關(guān)，并影響著(zhù)地球的磁場(chǎng)和自轉。地球的內核甚至還會(huì )相對地表旋轉。如果地球內核的運動(dòng)規律變了，會(huì )發(fā)生什么？近期，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院講席教授宋曉東和該院特聘副研究員楊翼在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·地球科學(xué)》上發(fā)表論文，揭示了地球內核的差速旋轉在近十幾年來(lái)出現停止并逐漸反轉的現象，首次為地心與地表存在動(dòng)力學(xué)聯(lián)系提供了證據。

　　地球里面，存在獨立轉動(dòng)的“內部星球”

　　內核相對地幔和地殼的轉動(dòng)被稱(chēng)為內核的“差速旋轉”，受到地球內部作用力的影響。

　　地球在形成初期，由于形成過(guò)程中的撞擊和放射性元素衰變所產(chǎn)生的熱量，整個(gè)地球呈熔融狀態(tài)。而后不同密度的物質(zhì)開(kāi)始發(fā)生分異，較輕的物質(zhì)向上移動(dòng)，在較低的溫壓條件下凝固形成地殼和地幔；而較重的鐵、鎳等金屬元素則向下沉降，形成了鐵鎳合金質(zhì)的地核。地核的半徑約占整個(gè)地球的一半，其上的地幔占據了地球的大部分體積，而地殼相對而言只是薄薄的一層。因此，人們常用雞蛋的結構（蛋殼、蛋清和蛋黃）來(lái)類(lèi)比地球的圈層結構（地殼、地幔和地核）。

　　在早期地核的溫度和壓力條件下，構成地核的鐵鎳合金都是液態(tài)的。然而隨著(zhù)地球的熱量不斷散失，液態(tài)地核不斷冷卻，逐漸析出固態(tài)的金屬物質(zhì)向地心沉降，于是形成了一個(gè)固態(tài)的內核。這個(gè)過(guò)程至今仍然在持續，內核逐漸長(cháng)大，如今它的半徑已經(jīng)達到了1220公里，比月亮略小一些。

　　內核在冷凝析出的過(guò)程中會(huì )釋放出熱量，不斷“加熱”外核的底部，如同燒開(kāi)水一樣促進(jìn)了外核的對流。同時(shí)，地核中的物質(zhì)仍然在繼續發(fā)生分異，輕元素在內核的生長(cháng)過(guò)程中在內外核邊界釋放出來(lái)，其上升過(guò)程也為外核對流提供了重要的動(dòng)力來(lái)源。在初始種子磁場(chǎng)存在的基礎上，以鐵、鎳等金屬導體為主要成分的外核液體中將會(huì )產(chǎn)生電流，而這些電流又會(huì )引發(fā)磁場(chǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相加強、維持，產(chǎn)生了一個(gè)自持續的地磁場(chǎng)，這個(gè)機制被稱(chēng)為“地球發(fā)電機”。

　　內核就像一個(gè)懸浮在液態(tài)外核中的小球，稍加外力干擾，就可能與包裹著(zhù)它的液體乃至之外的容器（地幔和地殼）進(jìn)行不一致的運動(dòng)。內核相對地幔和地殼的轉動(dòng)被稱(chēng)為內核的“差速旋轉”。早在20世紀80年代，英國著(zhù)名地球物理學(xué)家戴維·古賓斯就提出，在地球發(fā)電機的理論框架下，地核的磁場(chǎng)會(huì )在鐵合金質(zhì)的地球內核中引起電流，并產(chǎn)生一個(gè)磁力矩，使內核以超出地幔的速度旋轉。在90年代中期，加里·格拉茨邁爾和保羅·羅伯茨通過(guò)計算機進(jìn)行三維數值模擬，復現了磁極倒轉現象和內核的差速旋轉現象，并預測內核的轉速與地表轉速可相差每年幾度。

　　然而隨著(zhù)理論的發(fā)展和計算機模擬能力的進(jìn)步，地球動(dòng)力學(xué)家們意識到內核的轉動(dòng)并不僅僅是受到電磁力的驅動(dòng)這么簡(jiǎn)單。由于地幔和內核都是不均一的球體，二者之間有著(zhù)強烈的萬(wàn)有引力。在這種重力耦合作用下，內核會(huì )傾向于轉動(dòng)到一個(gè)重力勢能最低的均衡位置。就像我們蕩秋千似的，受到阻力影響，沒(méi)有持續的外力推動(dòng)，最終是要回到最低點(diǎn)的。因此，在理論上可以預測內核的差速旋轉的存在，但是它取決于內核的受力狀態(tài)，包括電磁力、重力以及摩擦阻力等多種復雜因素的影響。

　　二十多年持續研究發(fā)現，內核差速旋轉就像“蕩秋千”

　　下一次反向將出現在本世紀40年代初，變化周期約為60年～70年。

　　理論研究走在了前面，那我們是否可以從實(shí)際觀(guān)測中看到地球內核的差速旋轉呢？

　　1996年，還在哥倫比亞大學(xué)的筆者（宋曉東，編者注）與美國地球物理學(xué)家保羅·理查茲在《自然》發(fā)表封面文章，首次利用地震波觀(guān)測到了內核差速旋轉的證據。我們觀(guān)測到，發(fā)生于南美洲與南極洲之間的南桑威奇群島的地震，在北美洲阿拉斯加的地震臺站接收到的地震波中，穿透內核的震相的到時(shí)在幾十年的尺度上發(fā)生了系統性的變化。這種變化說(shuō)明在這幾十年間，同一路徑上的地震波采樣到了不同的結構，也就是說(shuō)該路徑上的內核結構發(fā)生了變化。我們將這個(gè)變化解釋為由內核差速旋轉所引起，并計算出內核比地幔和地殼的自轉速度快大約1°/年。

　　這是人類(lèi)首次觀(guān)測到深部地球的動(dòng)態(tài)變化，引起了地球科學(xué)界的極大轟動(dòng)，該成果也被美國《科學(xué)》雜志評為當年十大科學(xué)突破之一，并被《發(fā)現》雜志評為20世紀最重要的發(fā)現之一。自此，地學(xué)界也興起了一陣觀(guān)測地球內核的熱潮。在后續研究中，差速旋轉現象被更多的觀(guān)測證實(shí)，比如美國地震學(xué)家約翰·維達力于2000年發(fā)現了內核的淺部有一些小尺度的不均質(zhì)體，并且通過(guò)蘇聯(lián)在1971年和1974年的核爆試驗產(chǎn)生的地震波的對比中發(fā)現這些不均質(zhì)體的位置發(fā)生了橫向移動(dòng)。

　　但也有研究者一直質(zhì)疑，這些地震波的變化可能是震源位置的變化造成的影響，而非內核的差速旋轉。

　　直到2005年，筆者（宋曉東研究組，編者注）與哥倫比亞大學(xué)的保羅·理查茲研究組進(jìn)一步合作，利用“重復地震”技術(shù)，得到了內核隨時(shí)間變化的無(wú)可爭辯而又簡(jiǎn)潔有力的證據，進(jìn)一步支持了內核的差速旋轉。重復地震是指發(fā)生在不同時(shí)刻，但具有幾乎相同的震源位置和發(fā)震機制的一組地震，因此在介質(zhì)不變的情況下，在同一臺站接收到的兩次地震的地震波也會(huì )幾乎一樣。通過(guò)對比兩次重復地震的內核波形，可以從中推測出兩次地震之間內核的結構發(fā)生了怎樣的變化，從而了解差速旋轉的幅度。這就好比給人做了兩次CT掃描，通過(guò)對比兩次掃描的結果，可以看出這期間病人的臟器有什么樣的變化。

　　但也有少部分地震學(xué)家指出地震波觀(guān)測信號隨時(shí)間變化的現象并不一定是地球內核的旋轉導致，而是其邊界出現了局部的增長(cháng)或者消融。因此，內核的差速旋轉仍然存在著(zhù)一定的爭議。

　　此次研究，就對這樣的爭議給出了很好的回應。回到北京大學(xué)的筆者首次揭示了地球內核的差速旋轉模式在近半個(gè)多世紀以來(lái)的變化。研究發(fā)現，地球內核從20世紀70年代初開(kāi)始，轉動(dòng)速度略快于地球表面，也就是相對于地表自西向東差速旋轉；在2009年左右差速旋轉幾乎停止，而后甚至出現緩慢的反向（自東向西）差速旋轉。觀(guān)測到的數據在全球不同的地區高度一致，說(shuō)明是全球性的行為，這對于如此復雜的地球介質(zhì)來(lái)說(shuō)是驚人的，也有力地支持了內核差速旋轉的解釋。

　　我國學(xué)者王巍和約翰·維達力的研究表明，在20世紀70年代初期，內核的差速旋轉也曾出現從自東向西變成自西向東的反向現象。據此可知，內核的差速旋轉就像是“蕩秋千”，目前觀(guān)測到的內核在70年代初和2009年附近的兩次反向，分別對應“蕩秋千”時(shí)在前方和后方的兩個(gè)最高點(diǎn)。根據這個(gè)規律，預計下一次反向將出現在本世紀40年代初，與目前的觀(guān)測組成一個(gè)完整的振蕩周期，周期長(cháng)度約為60年~70年。

　　此次研究發(fā)現的60年~70年振蕩周期，恰好與磁場(chǎng)、日長(cháng)和氣候等現象變化的周期吻合，在相位上也有一定對應關(guān)系，這對于印證地球從內核到地表的耦合關(guān)系有重要意義。根據這項研究，在全世界范圍內首次建立了地表變化與地心變化相聯(lián)系的觀(guān)測證據，這對于我們理解地球深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及地球系統的運行機制提供了全新的約束。

　　內核差速旋轉在變化，但公眾無(wú)需焦慮

　　理解地球內部的運作規律很重要，但不會(huì )對日常生活造成可感知到的影響。

　　美國科幻災難片《地心搶險記》曾描述了這樣一個(gè)場(chǎng)面：地核由于未知原因停止了轉動(dòng)，導致磁場(chǎng)消失，世界各地接連出現人員暴亡、大橋斷裂、雷擊密集等奇怪現象，仿佛世界末日就要到來(lái)。這項關(guān)于內核旋轉模式變化的成果發(fā)表之后，許多人開(kāi)始擔心災難是否就要降臨。

　　事實(shí)上，我們大可不必為此而擔憂(yōu)。關(guān)于此次對內核旋轉模式變化的發(fā)現，我們需要明確的是，內核差速旋轉的停止，并不意味著(zhù)內核不再隨著(zhù)地球旋轉，而是說(shuō)內核與整個(gè)地球的轉速差異減小了。由于各種力的作用，“懸浮”在液態(tài)外核中的內核時(shí)而轉得比地球快，時(shí)而轉得比地球慢，但這個(gè)相對運動(dòng)對于整個(gè)地球的自轉而言是非常小的。就像一個(gè)微微顫動(dòng)的彈簧，內核的旋轉速度在一個(gè)平衡位置周?chē)⑽[動(dòng)。這個(gè)擺動(dòng)對于科學(xué)研究有著(zhù)重要的意義，它能提供對地球深部動(dòng)力過(guò)程的約束以及對一些高精密度測量造成影響；但對于一個(gè)具有自我調節能力的地球系統而言，這些變化并不會(huì )對我們的日常生活造成可感知到的影響。

　　以日長(cháng)（地球自轉的周期）變化為例，它的頻譜范圍較寬，包含長(cháng)期趨勢變化、年代際變化、季節變化、亞季節變化以及更高頻的變化。這些不同周期變化的影響因素非常復雜，除與地核的耦合作用外，如潮汐、冰川、季風(fēng)、洋流等都會(huì )對它造成影響。根據分析，日長(cháng)變化在68年左右的周期上幅度很大，這與內核差速旋轉周期有很好的對應，但變化量?jì)H在毫秒級別，這甚至比眨一次眼睛所花費的時(shí)間還短。相對于我們通常熟悉的24小時(shí)，一天的時(shí)間變長(cháng)或變短幾個(gè)毫秒對于日常生活不會(huì )產(chǎn)生任何影響。內核差速旋轉變化對磁場(chǎng)造成的影響與之類(lèi)似。已有觀(guān)測表明，磁場(chǎng)強度變化存在64年左右的變化周期，這也與內核旋轉模式變化的周期相對應。但這個(gè)周期的磁場(chǎng)變化是非常小的，無(wú)論從時(shí)間尺度上還是從強度上都不足以解釋或引發(fā)磁極的反轉。

　　更為有趣的是，在地球的氣候系統中也觀(guān)測到了60年~70年周期的變化模式。我們常認為，人類(lèi)活動(dòng)造成的溫室氣體排放等造成了全球變暖和海平面上升等氣候問(wèn)題，但放眼更長(cháng)的時(shí)間尺度，全球的氣候系統也存在著(zhù)振蕩模式。

　　例如，早在1994年，地理學(xué)家施萊辛格和拉曼庫迪就發(fā)現了全球平均氣溫存在65年～70年周期的振蕩，并且在2016年有研究提出這個(gè)周期的變化與地球日長(cháng)的六七十年周期變化的相位吻合；而最近在2021年，我國學(xué)者丁浩提出，全球海平面高度的變化存在著(zhù)64年的周期，與磁場(chǎng)的64年周期變化的相位幾乎一致。因此，雖然目前仍缺乏定量的模型進(jìn)行系統的評估，但地球深部的內核差速旋轉和外核對流等動(dòng)力過(guò)程很可能對地表氣候系統有一定的貢獻。只有系統地研究清楚地球深部對地表的影響機制和幅度，才能更好地評估人類(lèi)活動(dòng)的影響。

　　總之，我們不必為了聽(tīng)起來(lái)非常遙遠陌生的內核變化而恐慌，但也不能忽視地球深部過(guò)程的影響。地球科學(xué)博大精深，地球內核隱秘而遙不可及，但它復雜的結構和活躍的運動(dòng)吸引著(zhù)一代又一代科研工作者為之癡迷。對于知識的追求是具有高等智慧的人類(lèi)的基本需求。對這顆我們生于斯、長(cháng)于斯的星球進(jìn)行了解和探究，是我們需要做的一件基本的事，也是探索類(lèi)地星球的基礎。正是這樣一份好奇和堅持，匯聚成智慧之光，指引著(zhù)我們探索世界的奧秘，向未知不斷前進(jìn)。