我们对地球外部的了解胜于其内部构造,人类所赖以生存的星球的内部构造究竟是什么样的呢?
1970年前,前苏联地理学家开始在离芬兰不远的科拉半岛(Kola Peninsula,前苏联西北端的一个半岛,从斯堪的纳维亚半岛向东伸出,位于白海和巴伦支海之间)开始挖掘,希望通过挖掘来探究神秘莫测的地球内部构造。当地壳由于钻头的持续下探呈现出粘稠状时,历经22年的挖掘工作不得不停止。在这个深度,地下岩石所处的环境比我们预期要热的多,达到了华氏356℃。科学家最终努力的结果是:同哈密瓜一样大小的通道向地心延伸了7.6英里。
迄今为止,世界最深的地下挖掘工作就在科拉半岛,但这仅是从地表到达地球核心距离的0.2%。300年前,英国天文学家埃德蒙·哈雷(Edmond Halley)曾经猜测:我们所生活的星球内部是空洞,但其中充满着生命。如今我们对地球内部结构的了解仍与300年前一样——知之甚少。虽然哈雷的猜测在今天看来很可笑,但事实是,当我们真正进入地球内部,我们不能确定这里面会是什么。可能会是一颗巨大的水晶在地核中心吗?自然的核反应堆又会是怎样的?我们对教科书中地球嵌套式分层结构的图表能够认同吗?上面所标注的黄色层、橙色层以及红色层是地球内部分层的真实反映吗?
显而易见的重重疑问,是否激发了地球物理学者为探索地核而拟订出一幅蓝图?目前为止,没有人对此做过尝试,这听上去好像要把地球啪的一声打开,并注入成千上万吨的金属液体。但是这些听似不可思议的想法可能对这个宏伟计划有所帮助,该计划的目的在于观测到距我们脚下13.8英里的地核,不管怎么说,这比观测138亿光年外的宇宙要困难得多。
地球物理学者试图用震波穿过地球内部的震相、周期、振幅等特征的变化来探索地球的内部构造。每年,数以百计的地震观测站记录了上千次的地震,这些地震震波不时可在全球不同地方观测到。震波在穿越不同介质时的速度是不同的,这为观测地球内部的物质形态提供了线索:例如,震波在穿过坚硬岩石时的速度较快(这就如同通过检查子弹的受损程度来鉴别受害者一样)。地震学上的数据包含着地球内部密度的相关信息,地球内部密度由重力法则和特高压实验推断出,所谓的特高压实验指将材料在钻石之间挤压,在每英寸材料上施加百万吨的压力。
从这些间接数据,科学家已经能够对我们脚下的世界进行充分且综合的推测,但这些推测仍处于思索阶段。迄今为止,这只是一种描绘。
地壳是地球外缘的薄薄“皮肤”,它的厚度为3～40英里,最薄的地方位于大洋之中,最厚的地方则位于大陆之下。地壳由易碎且活动着的大陆板块构成,当板块相互挤压时就形成了高山,而当板块被拉伸时则形成海底盆地。
地幔是地壳之下由温暖岩石组成的一个圈层,它的厚度为地球半径的三分之二。固态但松散的岩石缓慢地搅动,将地核内的热量不断释放至地壳。这种搅动带动了岩石的循环,地壳的岩石可能被带到1700英里以下的地幔层。地幔与地核外层之间的交接处可能是崎岖不平的,考虑到它可能与地壳表面的形态完全相反,两者交界的最高处可能与喜马拉雅山一致,持续的地壳运动可能致使“雪崩”,岩石可能会沿着山峰的斜坡反向流动。
地核的外层由熔化的铁、镍以及其他不确定成分组成,流动的外核液体是黏质的流体。外核液体流动的原理类似于洗衣机,这些液体随着巨大且缓慢的搅动过程,每周流动一至数英里。
地核内层是地球的核心部分,为固态的铁合金球体,大小约为月球的三分之一。地核内部的温度高达华氏1.1万℃,与太阳表面的温度相当,但由于地核被地球外部巨大重力物体所包围,承受着巨大的压强,因此内核呈现固态。
生命之所以能在地球上生生不息,部分原因是由于地球存在着强大的地磁力保护着地球上的生灵。地球内部金属液体的涡流运动使地球成为一个巨大的发电机,这个发电机是如何启动、如何运作的仍旧是个谜。但似乎金属液体的循环穿越磁场(这个磁场一定形成于远古时代)形成了电磁场的一个封闭回路,释放出强大的电流。地核内充满的电流是巨大磁场形成的源泉,由于地磁场两极的方位在地轴两端的附近,因此我们相应标注地磁场的两极为磁北极和磁南极。危险的宇宙射线在电磁场的作用下有所偏离,使之重新返射回宇宙空间,也正是由于地磁场的保护,地球的大气层才得以维持。
虽然大多数地球物理学者坚信他们对地球内部几百英里之内的地形都已掌握,但是我们通过震波数据对地球内部结构的推测也不一定完全正确,就像我们仅用望远镜观测地外行星而得出结论并不可靠一样。美国加州理工学院的行星学教授大卫·史蒂文森(David Stevenson)认为:“我们通过间接手段获取来自遥远的信息,这些信息只反映了一部分的事实真相。”
这些理论都是抽象的或是奇特的。1995年,华盛顿卡内基协会的地球物理学者提出地核内部是巨大的水晶。这个奇怪的结论有强大的依据支撑,即地震波沿着磁极的轴线穿越内核最多只需4秒,这个速度比震波围绕赤道走一圈的速度快得多。铁水晶在地核中心可能呈颗粒状,地球内核极高的温度和极大的压强为水晶的形成提供了理想的环境。
科学家对铁的特性十分了解,然而这个圆滑晶体的假设遭遇了相反观点的挑战:地球的铁核呈现多块状分层结构。华盛顿大学的地球物理学家约翰·维达尔(John Vidale)表示:“有证据表明,地核内部可能与地表的某些特性相类似,而又不同于地表特征。”尽管内核是固体的,但它可能像冰河一样随着时间的推移缓慢流动。地核内部有些成分极易变化,使其内部结构随着时代变更而发生分层现象。一些研究者通过计算认为:内核中分层的各个层次厚度可达数十英里。
史蒂文森的想法是,用可控的爆破手段打开地壳层,并向内注入10万吨的液体铁,在这些液体铁中放入若干冰箱大小的探测器。
地球内部的各个层次都可能蕴含着意外的发现。在研究数以千计的地震记录之后,哈佛大学的地球物理学家推测,可能在目前所认为的内核中仍包含一个内核,这个位居地核中心位置的内核可能是一个360英里宽的天然金块,它拥有自己的结晶颗粒,可能轻微偏离内核正中。这个内核的内核可能是我们这个星球中最古老的部分,形成于46亿年前,它要么是天然金块,要么是以特殊方式组合的铁水晶。越来越多的证据表明,地球的内核中还包含有一个内核。
马文·赫恩登
在关于地球内部研究的理论中,可能最离奇的还数地球物理学者马文·赫恩登(J.Marvin Herndon)提出的观点。他认为地球内核是一个天然的并时常爆发的核反应堆,而不是通常人们所认为的稳定的铁球。他相信地核内充满着铀,持续和充足的核子分裂为地磁场的运作提供了能量。赫恩登表示:“大多数人对提出违背常理的假说存有顾虑,这就是为什么地核镍铁构成的假说能盛行60年的原因。”
尽管我们对地球内部情况的掌握知之甚少,但赫恩登的观点在地球物理领域仍处于边缘状态,他的尖锐批评也不被大多数人接受。史蒂文森直面赫恩登的核反应堆观点:“我们可以轻而易举地得出符合观测数据但又近乎疯狂的理论,赫恩登所预言的一切都不是必然的。”同时,他也表示不能肯定赫恩登的观点就是错误的。
验证赫恩登以及其他一些假设和理论需要更好和更先进的工具对地球内部进行深层次探索。举例来说,如果地核真的有明显的放射能,我们将可获得中微子(neutrinos,放射性衰退的副产物)。虽然已有人声称发现了中微子,但这一发现的正确性仍值得商榷,目前仍很难确定这些特定的中微子是来自于宇宙空间还是从地核逃逸出来的。科学家确信,寻找所谓的中微子的工作将持续10～20年。
研究地磁场起源的工作是艰难的。例如,科学家至今不知道为什么地球的磁场如此强大,为什么地磁的南北极与地球的南北极相反等等。一些模拟计算模型已经将这一过程再现,但却得不出什么结论来。
全球一些实验室已经开始试图创建一个巨型的地核物理模型,他们在铜球内不断搅拌熔化的金属,希望能在小规模试验环境下模拟地球内部的发电过程。巴黎高等师范学校的一个实验室已经通过这种途径建立了发电模型,虽然科学家能够观测到磁极在不断地变动,但是来自外界的批评声不断,认为他们并没有真实模拟地核内部的环境进行实验,所得出的结论并不准确。马里兰大学的地球物理学家丹·拉斯洛普(Dan Lathrop)认为:“显而易见,地核内部的环境与太阳表面的环境很不一样,要真实模拟地核内环境有很大的难度。”拉斯洛普正在建立一个半径为10英尺的球体模型,并认为这个模型可能是第一个最具说服力的地球发电模型。
地球内部环境太过极端,因此,仅花几年时间通过建立球状金属熔液模型或是观测被钻石压碎的岩石样本等途径,根本达不到真实模拟地核环境的要求。一些对模拟内核环境起决定性作用的实验却不能真实地操作。拉斯洛普表示:“由于对流相对较弱,因此我们不可能建立一个完全模拟地核内发电的介质对流状态。要想真实模拟,我们不得不建立一个直径为100英尺的球形实验环境,这将是一个大型实验。”为完成这一实验,拉斯洛普和他的同事不但需要一些大型的实验设备,而且还需要模拟地核内的重力环境,尽量营造有助于推动地球内部物理作用的环境。
拉斯洛普认为:“除非在实验的球形环境中央放置一个黑洞,否则我们很难模拟地核内的环境。因此我们需要一个实验室黑洞,我已经给学生们布置了这项任务,但是至今仍无进展。”
即便我们能够模拟一个中央放置黑洞的人造地核,但它也不过是一个模拟装置而已,除非我们能够深入地球内部直接感受它的环境。持有这个想法,史蒂文森起草了一个计划并刊登在《自然》杂志上,他想用可控的爆破手段打开地壳层,并向内注入10万吨的液体铁,在这些液体铁中放入若干个的探测器。按照史蒂文森的推测,以厚度层热浸镀锌铁皮的拉伸重力为测算依据,这些探测器到达地核的时间大约在1周左右(液体及探测器流经的路径会自然封闭),探测器能通过震波与地面联系,将地幔和地核中的信息及时反馈至地面。虽然史蒂文森的建议富有极大的挑战性,但是该领域的很多专家认为这种想法可行。
为什么不试一试呢?用史蒂文森的话说:“这个实验的成本太高了!它的费用可能相当于曼哈顿计划或是某个空间计划的经费,它将花费上亿美元。”史蒂文森曾参与了美国航空航天局包括太阳系在内的行星空间观测任务,因此,他对这项实验的费用心中有数。制作一个能够承受地核热度和压强并能准确无误地将信息反馈至地面的探测器的费用将十分昂贵。
但这并不意味着这项计划就不能实现。人类的奇幻想法不能等同于事实真相,不过史蒂文森表示:“在行星探测时,只有真的到了那里,我们才会有意外发现。”