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(jié)構(gòu)就像一個(gè)雞蛋，由一個(gè)一個(gè)圈層組成。內(nèi)核是最中心的部分，它雖然遙遠(yuǎn)，但與地球的形成和演化息息相關(guān)，并影響著地球的磁場(chǎng)和自轉(zhuǎn)。地球的內(nèi)核甚至還會(huì)相對(duì)地表旋轉(zhuǎn)。如果地球內(nèi)核的運(yùn)動(dòng)規(guī)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(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)在近十幾年來出現(xiàn)停止并逐漸反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，首次為地心與地表存在動(dòng)力學(xué)聯(lián)系提供了證據(jù)。

　　地球里面，存在獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的“內(nèi)部星球”

　　內(nèi)核相對(duì)地幔和地殼的轉(zhuǎn)動(dòng)被稱為內(nèi)核的“差速旋轉(zhuǎn)”，受到地球內(nèi)部作用力的影響。

　　地球在形成初期，由于形成過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(jù)了地球的大部分體積，而地殼相對(duì)而言只是薄薄的一層。因此，人們常用雞蛋的結(jié)構(gòu)（蛋殼、蛋清和蛋黃）來類比地球的圈層結(jié)構(gòu)（地殼、地幔和地核）。

　　在早期地核的溫度和壓力條件下，構(gòu)成地核的鐵鎳合金都是液態(tài)的。然而隨著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(nèi)核。這個(gè)過程至今仍然在持續(xù)，內(nèi)核逐漸長大，如今它的半徑已經(jīng)達(dá)到了1220公里，比月亮略小一些。

　　內(nèi)核在冷凝析出的過程中會(huì)釋放出熱量，不斷“加熱”外核的底部，如同燒開水一樣促進(jìn)了外核的對(duì)流。同時(shí)，地核中的物質(zhì)仍然在繼續(xù)發(fā)生分異，輕元素在內(nèi)核的生長過程中在內(nèi)外核邊界釋放出來，其上升過程也為外核對(duì)流提供了重要的動(dòng)力來源。在初始種子磁場(chǎng)存在的基礎(chǔ)上，以鐵、鎳等金屬導(dǎo)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)過程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相加強(qiáng)、維持，產(chǎn)生了一個(gè)自持續(xù)的地磁場(chǎng)，這個(gè)機(jī)制被稱為“地球發(fā)電機(jī)”。

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

　　然而隨著理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)模擬能力的進(jìn)步，地球動(dòng)力學(xué)家們意識(shí)到內(nèi)核的轉(zhuǎn)動(dòng)并不僅僅是受到電磁力的驅(qū)動(dòng)這么簡(jiǎn)單。由于地幔和內(nèi)核都是不均一的球體，二者之間有著強(qiáng)烈的萬有引力。在這種重力耦合作用下，內(nèi)核會(huì)傾向于轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)重力勢(shì)能最低的均衡位置。就像我們蕩秋千似的，受到阻力影響，沒有持續(xù)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(yù)測(cè)內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)的存在，但是它取決于內(nèi)核的受力狀態(tài)，包括電磁力、重力以及摩擦阻力等多種復(fù)雜因素的影響。

　　二十多年持續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)就像“蕩秋千”

　　下一次反向?qū)⒊霈F(xiàn)在本世紀(jì)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)際觀測(cè)中看到地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)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，首次利用地震波觀測(cè)到了內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。我們觀測(cè)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(tái)站接收到的地震波中，穿透內(nèi)核的震相的到時(shí)在幾十年的尺度上發(fā)生了系統(tǒng)性的變化。這種變化說明在這幾十年間，同一路徑上的地震波采樣到了不同的結(jié)構(gòu)，也就是說該路徑上的內(nèi)核結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。我們將這個(gè)變化解釋為由內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)所引起，并計(jì)算出內(nèi)核比地幔和地殼的自轉(zhuǎn)速度快大約1°/年。

　　這是人類首次觀測(cè)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(píng)為當(dāng)年十大科學(xué)突破之一，并被《發(fā)現(xiàn)》雜志評(píng)為20世紀(jì)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。自此，地學(xué)界也興起了一陣觀測(cè)地球內(nèi)核的熱潮。在后續(xù)研究中，差速旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象被更多的觀測(cè)證實(shí)，比如美國地震學(xué)家約翰·維達(dá)力于2000年發(fā)現(xiàn)了內(nèi)核的淺部有一些小尺度的不均質(zhì)體，并且通過蘇聯(lián)在1971年和1974年的核爆試驗(yàn)產(chǎn)生的地震波的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)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(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)。

　　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(fù)地震”技術(shù)，得到了內(nèi)核隨時(shí)間變化的無可爭(zhēng)辯而又簡(jiǎn)潔有力的證據(jù)，進(jìn)一步支持了內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)。重復(fù)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(jī)制的一組地震，因此在介質(zhì)不變的情況下，在同一臺(tái)站接收到的兩次地震的地震波也會(huì)幾乎一樣。通過對(duì)比兩次重復(fù)地震的內(nèi)核波形，可以從中推測(cè)出兩次地震之間內(nèi)核的結(jié)構(gòu)發(fā)生了怎樣的變化，從而了解差速旋轉(zhuǎn)的幅度。這就好比給人做了兩次CT掃描，通過對(duì)比兩次掃描的結(jié)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)家指出地震波觀測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象并不一定是地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致，而是其邊界出現(xiàn)了局部的增長或者消融。因此，內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)仍然存在著一定的爭(zhēng)議。

　　此次研究，就對(duì)這樣的爭(zhēng)議給出了很好的回應(yīng)?；氐奖本┐髮W(xué)的筆者首次揭示了地球內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)模式在近半個(gè)多世紀(jì)以來的變化。研究發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)核從20世紀(jì)70年代初開始，轉(zhuǎn)動(dòng)速度略快于地球表面，也就是相對(duì)于地表自西向東差速旋轉(zhuǎn)；在2009年左右差速旋轉(zhuǎn)幾乎停止，而后甚至出現(xiàn)緩慢的反向（自東向西）差速旋轉(zhuǎn)。觀測(cè)到的數(shù)據(jù)在全球不同的地區(qū)高度一致，說明是全球性的行為，這對(duì)于如此復(fù)雜的地球介質(zhì)來說是驚人的，也有力地支持了內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的解釋。

　　我國學(xué)者王巍和約翰·維達(dá)力的研究表明，在20世紀(jì)70年代初期，內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)也曾出現(xiàn)從自東向西變成自西向東的反向現(xiàn)象。據(jù)此可知，內(nèi)核的差速旋轉(zhuǎn)就像是“蕩秋千”，目前觀測(cè)到的內(nèi)核在70年代初和2009年附近的兩次反向，分別對(duì)應(yīng)“蕩秋千”時(shí)在前方和后方的兩個(gè)最高點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)規(guī)律，預(yù)計(jì)下一次反向?qū)⒊霈F(xiàn)在本世紀(jì)40年代初，與目前的觀測(cè)組成一個(gè)完整的振蕩周期，周期長度約為60年~70年。

　　此次研究發(fā)現(xiàn)的60年~70年振蕩周期，恰好與磁場(chǎng)、日長和氣候等現(xiàn)象變化的周期吻合，在相位上也有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)于印證地球從內(nèi)核到地表的耦合關(guān)系有重要意義。根據(jù)這項(xiàng)研究，在全世界范圍內(nèi)首次建立了地表變化與地心變化相聯(lián)系的觀測(cè)證據(jù)，這對(duì)于我們理解地球深部動(dòng)力學(xué)過程以及地球系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制提供了全新的約束。

　　內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)在變化，但公眾無需焦慮

　　理解地球內(nèi)部的運(yùn)作規(guī)律很重要，但不會(huì)對(duì)日常生活造成可感知到的影響。

　　美國科幻災(zāi)難片《地心搶險(xiǎn)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(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致磁場(chǎng)消失，世界各地接連出現(xiàn)人員暴亡、大橋斷裂、雷擊密集等奇怪現(xiàn)象，仿佛世界末日就要到來。這項(xiàng)關(guān)于內(nèi)核旋轉(zhuǎn)模式變化的成果發(fā)表之后，許多人開始擔(dān)心災(zāi)難是否就要降臨。

　　事實(shí)上，我們大可不必為此而擔(dān)憂。關(guān)于此次對(duì)內(nèi)核旋轉(zhuǎn)模式變化的發(fā)現(xiàn)，我們需要明確的是，內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的停止，并不意味著內(nèi)核不再隨著地球旋轉(zhuǎn)，而是說內(nèi)核與整個(gè)地球的轉(zhuǎn)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(nèi)核時(shí)而轉(zhuǎn)得比地球快，時(shí)而轉(zhuǎn)得比地球慢，但這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)于整個(gè)地球的自轉(zhuǎn)而言是非常小的。就像一個(gè)微微顫動(dòng)的彈簧，內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)速度在一個(gè)平衡位置周圍微微擺動(dòng)。這個(gè)擺動(dòng)對(duì)于科學(xué)研究有著重要的意義，它能提供對(duì)地球深部動(dòng)力過程的約束以及對(duì)一些高精密度測(cè)量造成影響；但對(duì)于一個(gè)具有自我調(diào)節(jié)能力的地球系統(tǒng)而言，這些變化并不會(huì)對(duì)我們的日常生活造成可感知到的影響。

　　以日長（地球自轉(zhuǎn)的周期）變化為例，它的頻譜范圍較寬，包含長期趨勢(shì)變化、年代際變化、季節(jié)變化、亞季節(jié)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(fù)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(duì)它造成影響。根據(jù)分析，日長變化在68年左右的周期上幅度很大，這與內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)周期有很好的對(duì)應(yīng)，但變化量僅在毫秒級(jí)別，這甚至比眨一次眼睛所花費(fèi)的時(shí)間還短。相對(duì)于我們通常熟悉的24小時(shí)，一天的時(shí)間變長或變短幾個(gè)毫秒對(duì)于日常生活不會(huì)產(chǎn)生任何影響。內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)變化對(duì)磁場(chǎng)造成的影響與之類似。已有觀測(cè)表明，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化存在64年左右的變化周期，這也與內(nèi)核旋轉(zhuǎn)模式變化的周期相對(duì)應(yīng)。但這個(gè)周期的磁場(chǎng)變化是非常小的，無論從時(shí)間尺度上還是從強(qiáng)度上都不足以解釋或引發(fā)磁極的反轉(zhuǎn)。

　　更為有趣的是，在地球的氣候系統(tǒng)中也觀測(cè)到了60年~70年周期的變化模式。我們常認(rèn)為，人類活動(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題，但放眼更長的時(shí)間尺度，全球的氣候系統(tǒng)也存在著振蕩模式。

　　例如，早在1994年，地理學(xué)家施萊辛格和拉曼庫迪就發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的評(píng)估，但地球深部的內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)和外核對(duì)流等動(dòng)力過程很可能對(duì)地表氣候系統(tǒng)有一定的貢獻(xiàn)。只有系統(tǒng)地研究清楚地球深部對(duì)地表的影響機(jī)制和幅度，才能更好地評(píng)估人類活動(dòng)的影響。

　　總之，我們不必為了聽起來非常遙遠(yuǎn)陌生的內(nèi)核變化而恐慌，但也不能忽視地球深部過程的影響。地球科學(xué)博大精深，地球內(nèi)核隱秘而遙不可及，但它復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和活躍的運(yùn)動(dòng)吸引著一代又一代科研工作者為之癡迷。對(duì)于知識(shí)的追求是具有高等智慧的人類的基本需求。對(duì)這顆我們生于斯、長于斯的星球進(jìn)行了解和探究，是我們需要做的一件基本的事，也是探索類地星球的基礎(chǔ)。正是這樣一份好奇和堅(jiān)持，匯聚成智慧之光，指引著我們探索世界的奧秘，向未知不斷前進(jìn)。