理論支撐著我們人類對地球外核的對流及其控制地球磁場的功能的理解。科學家們從未直接觀察到對流或它們可能發生的變化。弗吉尼亞理工大學的地球科學家Ying Zhou首次提出了證明。

1997年5月，一場大地震震動了南太平洋的克馬德克群島地區。20多年後，在2018年9月，第二次大地震襲擊了同一地點，其地震能量波從同一地區發出。

弗吉尼亞理工大學理學院地球科學系的地質科學家Ying Zhou指出，雖然這兩次地震相隔20年，但由於它們發生在同一地區，預計它們會以同樣的速度通過地球層發出地震波。

然而在實時記錄地震振動的150多個全球地震網台站中的4個台站所記錄的數據中，Zhou發現兩個事件中出現了令人驚訝的異常情況。在2018年的地震中，一組被稱為SKS波的地震波比1997年的同類波快了約一秒鐘。

Zhou的研究結果最近發表在《Nature Communications Earth & Environment》上，根據他的說法，SKS波旅行時間的一秒差異讓我們看到了地球內部更深處也就是其外部核心所發生的重要的、前所未有的一幕。

裡面的東西非常重要

地球的外核被夾在地幔和內核之間，前者是地殼下面厚厚的岩石層，後者是地球最深的內部層。它主要由液態鐵組成，在地球冷卻時發生對流或流體流動。由此產生的液態金屬漩渦產生電流，其負責產生地球的磁場–稱為磁層，它保護地球和地球上的所有生命免受有害輻射和太陽風的影響。

沒有磁層地球就無法維持生命，而沒有外核中液態金屬的流動磁場就不會起作用。Zhou副教授表示，對這種動態的科學理解是基於模擬的，“我們只知道在理論上，如果你在外核有對流，你將能產生磁場。”

科學家們也只能猜測已經觀察到的磁場強度和方向的逐漸變化的來源，而這可能涉及到外核的變化流動。

“如果你看一下北地磁極，它目前正以每年約50公里的速度移動，”Zhou說道，“它正在遠離加拿大，向西伯利亞移動。磁場不是每天都一樣的。它在變化。既然它在變化，我們也推測外核的對流隨著時間在變化，但沒有直接的證據。我們從來沒有見過。”

Zhou著手尋找這一證據。她表示，發生在外核的變化並不劇烈，但它們值得確認並從根本上理解。在地震波和它們在十年時間尺度上的速度變化中，Zhou看到了一種對外核進行直接取樣的手段–因為她研究的SKS波直接穿過了它。

“SKS”代表波的三個階段：首先，它作為S波或剪切波穿過地幔；然後作為壓縮波進入外核；然後作為S波從地幔中返回。這些波的傳播速度部分取決於其路徑上的外核的密度。如果當波穿透外核的某個區域時該區域的密度較低，那麼波就會走得更快。

“沿著那個波的路徑有一些變化，所以它現在可以走得更快，”Zhou說道。

在Zhou看來，波速的差異表明在1997年地震後的20年裡，外核形成了低密度區域。她指出，2018年地震期間較高的SKS波速可以歸因於地球冷卻時發生的對流過程中，外核中氫、碳和氧等輕元素的釋放。

“20年前的材料已經不存在了。這是新的材料，而且它更輕。這些輕元素將向上移動並改變它們所在區域的密度，”Zhou說道。

對Zhou來說，這證明了運動真的在核心中發生，而且它隨著時間的推移而變化。“我們現在能夠看到它。如果我們能從地震波中看到它，在未來，我們可以建立地震站並監測這種流動。”

下一步是什麼

Zhou表示，她將利用一種被稱為乾涉測量的波浪測量方法，她的團隊計劃分析兩個地震台的連續地震記錄，其中一個將作為“虛擬”地震源。“我們可以使用地震，但依靠地震數據的局限性是我們不能真正控制地震的位置。但我們可以控制地震站的位置。我們可以把地震站放在我們想要的任何地方，從一個地震站到另一個地震站的波道要穿過外核。如果我們隨著時間的推移進行監測，那麼我們可以看到這兩個站之間的穿透核心的地震波是如何變化的。有了這一點，我們將能夠更好地看到外核中的流體隨著時間的推移而移動。”