期刊导航
地核的形状可以用一种神秘的成分来解释
我们星球中心的富含铁的核心一直是地球演化的重要组成部分。核心不仅为保护我们的大气层和海洋免受太阳辐射的磁场提供动力，它还影响不断重塑大陆的板块构造。
但是，尽管它很重要，但许多最基本的属性核心的是未知的。我们不知道核心到底有多热，它是由什么制成的，也不知道它何时开始冻结。
幸运最近的发现我和我的同事们让我们更接近解答这三个谜团。
我们知道地球内核的温度大约是 5,000 开尔文 （K） （4,727°C）。它曾经是液体，但随着时间的推移已经冷却并变成固体，并在此过程中向外膨胀。当它冷却时，它会将热量释放到上覆地幔，驱动板块构造背后的洋流。
同样的冷却也会产生地球的磁场。如今，该磁场的大部分能量来自冷冻岩心的液体部分，并在其中心生长固体内岩心。
然而，由于我们无法访问核心，因此我们必须估计其特性以了解它是如何冷却的。
了解岩心的一个关键部分是了解其熔化温度。我们从地震学（地震研究）中知道固体内核和液体外核之间的边界在哪里。
核心的温度必须等于其在此位置的熔化温度，因为这是它结冰的地方。因此，如果我们知道熔化温度的确切值是多少，我们就可以更多地了解岩心的确切温度——以及它是由什么组成的。
神秘的化学
传统上，我们有两种方法来弄清楚核心是由什么组成的：陨石和地震学。
通过检查陨石的化学成分——陨石被认为是从未形成的行星碎片，或者被摧毁的类地行星的核心碎片——我们可以了解我们的核心是由什么组成的。
问题是这只能给我们一个粗略的想法。陨石向我们展示了核心应该由铁和镍制成，也许还有百分之几的硅或硫，但很难比这更具体。
另一方面，地震学要具体得多。当地震产生的声波穿过地球时，它们会根据它们穿过的物质而加速和减速。
通过比较这些波从地震到地震仪的传播时间，以及实验中波穿过矿物和金属的速度，我们可以了解地球内部是由什么组成的。
事实证明，这些旅行时间要求地核大约密度比纯铁低 10%，并且液体外芯比固体内芯致密。只有一些已知的堆芯化学成分才能解释这些特性。
但即使在一小部分可能的成分中，潜在的熔化温度也会相差数百度——这让我们对岩心的精确特性一无所知。
新的约束
在我们的新研究中，我们利用矿物物理学来研究岩心是如何首先开始冻结的，发现了一种理解岩心化学性质的新方法。而且这种方法似乎比地震学和陨石更具体。
模拟液态金属中原子如何聚集形成固体的研究发现，某些合金比其他合金需要更强烈的“过冷”。
过冷是指当液体冷却到熔化温度以下.过冷越强烈，原子就越频繁地聚集在一起形成固体，使液体冻结得更快。冰箱中的水瓶在冷冻前可以过冷至 -5°C 数小时，而当云中的水滴冷却至 -30°C 时，冰雹会在几分钟内形成。
通过探索岩心所有可能的熔化温度，我们发现岩心可能最过冷的温度比熔化温度低 420°C 左右——超过这个温度，内核就会比地震学发现的要大。但纯铁需要不可能的 ~1000°C 过冷才能冻结。如果冷却这么多，整个核心就会结冰，这与地震学家的观察相反。
添加硅和硫，陨石和地震学都表明硅和硫可能存在于核心中，只会使这个问题变得更糟，需要更多的过冷。
我们的新研究探讨了碳在岩心中的影响。如果核心质量的 2.4% 是碳，则需要大约 420°C 的过冷才能开始冻结内核。这是第一次证明冷冻核心是可能的。如果岩心的碳含量为3.8%，则只需要266°C的过冷。这仍然很多，但更合理。
这一新发现表明，虽然地震学可以将核心可能的化学成分缩小到几种不同的元素组合，但其中许多无法解释行星中心存在固体内核。
岩心不能仅由铁和碳制成，因为岩心的抗震特性至少需要一种元素。我们的研究表明，它更有可能含有一点氧气，可能还含有硅。
这标志着朝着了解核心是由什么组成的、它是如何开始结冰以及它如何从内到外塑造我们的星球迈出了重要一步。
阿尔弗雷德·威尔逊-斯宾塞， 矿物物理学研究员，利兹大学
提供云服务支持