地核深藏於(yu) 地表2900km之下，其半徑約 3470km，占據了整個(ge) 地球 1/6 的體(ti) 積和近 1/3 的質量。對於(yu) 我們(men) 人來說，地核是地球中最遙不可及的一部分，向地球內(nei) 部打鑽比飛向外太空更具挑戰性，宇宙飛船已經飛過了離地球200 多億(yi) 公裏的太陽係邊界，可是人類打過的最深的鑽孔，離地表還不超過13km。再加上火山噴發也不可能將新鮮的地核樣本帶到地麵，因此，迄今為(wei) 止，我們(men) 還無法取得任何新鮮的地核樣本，其內(nei) 部結構和化學成分隻能通過間接的手段來推斷。

　　通過地震波提取地核結構的信息（圖片來源：參考文獻1）

　　科學研究表明，在地球形成初期，地核並沒有分為(wei) 固態內(nei) 核和液態外核，那麽(me) ，地核開始冷卻的時間，就是地球內(nei) 核的誕生時期，也是地球內(nei) 核的年齡。但地核何時開始冷卻的也是一個(ge) 難題，因此多年來，關(guan) 於(yu) 地核的實際年齡一直存在多種混亂(luan) 的答案，有學者認為(wei) 是非常古老的45億(yi) 歲，也有學者認為(wei) 是十分年輕的5.65億(yi) 歲。

　　（圖片來源：自製）

　　為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 難題，科學家們(men) 想到，可以模擬地核的冷卻。我們(men) 已經清楚地核絕大部分是（超過 80%）由鐵組成，同時還有部分（約占地核質量的 5%）鎳，其餘(yu) 的是比鐵輕的元素，比如氫，氧，碳，矽或硫。因此，如果我們(men) 研究出了鐵的性質，也就相當於(yu) 知道了地核的性質，便能推斷出地核的年齡。對於(yu) 研究地核來說，最重要的性質就是鐵的熱導率（傳(chuan) 遞熱量的效率），它是確定地核許多屬性的關(guan) 鍵。

　　地核中的化學浮力（圖片來源：參考文獻1）

　　研究人員通過高溫高壓實驗，在實驗室條件下重現地核溫度壓力條件（壓力約170 GPa，溫度約3000 K），測得了鐵的電阻率，進而計算出鐵的熱導率。在考慮了其他物質成分對鐵的熱導性的影響情況下，研究人員利用鐵的熱導率對地球內(nei) 核的年齡做出更精確的估算，實驗估算表明地球內(nei) 核大約是在10～13億(yi) 年前形成的。

　　地核的熱傳(chuan) 導模式和能量平衡模型（圖片來源：參考文獻3）

　　同時，該研究也表明“地球發電機”（科學家認為(wei) 磁場是通過地核中熔融的鐵合金對流而產(chan) 生的，稱為(wei) 地球發電機）是由兩(liang) 種不同的能量來源和機製維持的，即熱對流和成分對流。有學者認為(wei) ，在更早的時候，內(nei) 核更小甚至不存在，因此成分對流要弱得多，熱對流將在驅動早期地球發電機中起關(guan) 鍵作用。也有學者認為(wei) ，早期地核的另一種能量源自化學分化，如鎂或氧的出溶，這也是早期地球發電機的驅動力。

　　這次研究的結果更偏向於(yu) 第二種模式：由於(yu) 在地核形成期間，地核的溫度足夠高，所以鎂或氧進入地核以鐵合金的形式存在。隨著地核的冷卻，它們(men) 變得過飽和，並在核幔邊界（CMB）處以鎂-矽-氧礦物（Mg-Si-O）的形式沉澱。這個(ge) 過程可以在內(nei) 核形成之前有效地提供成分對流，這將與(yu) 熱對流結合共同驅動早期的發電機。

　　地球發電機機製的圖示（圖片來源：Wikipedia）

　　地球是我們(men) 獨一無二的家園，隻有更清楚地認識她，才能更好地保護她。對地球內(nei) 核年齡的測定，讓我們(men) 對地球內(nei) 部的結構有了更進一步的認識，也為(wei) 地球磁場起源，地球內(nei) 核的物理、化學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努力，探索更多關(guan) 於(yu) 地球的奧秘。

　　參考文獻：

　　1. 10000 個(ge) 科學難題·地球科學卷 “10000 個(ge) 科學難題”地球科學編委會(hui) . 北京: 科學出版社，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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