在我们脚下大约2890公里的地方有一个巨大的液态金属球体:我们的地球核心。像我这样的科学家利用地震产生的地震波作为一种超声波来“看到”地核的形状和结构。
作者
Hrvoje Tkalčić
澳大利亚国立大学教授，地球物理学主任，瓦拉蒙加阵列主任
我和我的同事马小龙用一种新的方法研究这些地震波，有了一个惊人的发现:在赤道附近的地核有一个巨大的甜甜圈状区域，有几百公里厚，在那里地震波的传播速度比地核其他地方慢2%左右。
我们认为这个区域含有更多的轻元素，如硅和氧，并且可能在流过地核的巨大液态金属流中发挥关键作用，从而产生地球磁场。我们的研究结果发表在今天的《科学进展》杂志上。
“余弦相关波场”
大多数关于地震产生的地震波的研究都关注地震发生后一小时左右在世界各地传播的大的初始波阵面。
我们意识到，通过观察这些波中较晚、较弱的部分，也就是所谓的尾声，我们可以了解到一些新的东西。尾声是一段音乐结束的部分。特别是，我们观察了不同地震探测器在地震开始几个小时后记录的尾波有多相似。
用数学术语来说，这种相似性是通过一种叫做相关性的东西来衡量的。总之，我们把地震波后期的这些相似性称为“尾相关波场”。
通过观察余弦相关波场，我们检测到来自多个混响波的微小信号，否则我们不会看到这些信号。通过了解这些混响波的路径，并将它们与尾波相关波场中的信号进行匹配，我们计算出了它们在地球上传播的时间。
然后，我们将靠近两极的地震探测器的观测结果与靠近赤道的结果进行了比较。总的来说，靠近两极的波比靠近赤道的波传播得快。
我们尝试了许多计算机模型和模拟，来研究什么条件下的核心可以产生这些结果。最后，我们发现在赤道周围的外核一定有一个环面——一个甜甜圈形状的区域，在那里波传播得更慢。
地震学家以前从未探测到这个地区。然而，使用余弦相关波场可以让我们更详细、更均匀地“看到”外核。
先前的研究得出结论，在外核的“天花板”周围，波的移动速度更慢。然而，我们在这项研究中已经表明，低速区仅在赤道附近。
外核和地球发电机
地球的外核半径约为3480公里，比火星略大。它主要由铁和镍组成，还有一些较轻的元素，如硅、氧、硫、氢和碳。
外核的底部比顶部更热，这种温差使得液态金属像炉子上沸腾的锅里的水一样移动。这个过程被称为热对流，我们认为持续的运动应该意味着外核的所有物质都混合得很好，很均匀。
但如果外核各处都充满了相同的物质，那么地震波在各处也应该以相同的速度传播。那么，为什么这些波在我们发现的甜甜圈形状的区域中会变慢呢?
我们认为这个地区一定有更多的轻元素。它们可能从地球的固体内核释放到外核，在那里它们的浮力产生了更多的对流。
为什么较轻的元素更多地聚集在赤道圈区?科学家们认为，如果更多的热量从外核转移到该地区上方的岩石地幔，就可以解释这一点。
外核也有另一个行星规模的过程在起作用。地球的自转和小的固体内核使得外核的液体在南北方向上形成长长的垂直漩涡，就像巨大的水龙卷。
液态金属在这些漩涡中的湍流运动产生了“地球发电机”，负责创造和维持地球磁场。这个磁场使地球免受有害的太阳风和辐射的影响，使地球表面的生命成为可能。
对外核组成的更详细的观察——包括新发现的由较轻元素组成的“甜甜圈”——将有助于我们更好地了解地球的磁场。特别是，磁场如何随时间改变其强度和方向对地球上的生命以及行星和系外行星的潜在可居住性至关重要。
Hrvoje tkal
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希望本篇文章《地震波揭示地核内部的甜甜圈结构》能对你有所帮助！
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