作者：宋曉東、楊翼（分別系北京大學地空學院講席教授、特聘副研究員）

　　地球的結構就像一個雞蛋，由一個一個圈層組成。內核是最中心的部分，它雖然遙遠，但與地球的形成和演化息息相關，并影響著地球的磁場和自轉。地球的內核甚至還會相對地表旋轉。如果地球內核的運動規(guī)律變了，會發(fā)生什么？近期，北京大學地球與空間科學學院講席教授宋曉東和該院特聘副研究員楊翼在國際學術期刊《自然·地球科學》上發(fā)表論文，揭示了地球內核的差速旋轉在近十幾年來出現(xiàn)停止并逐漸反轉的現(xiàn)象，首次為地心與地表存在動力學聯(lián)系提供了證據(jù)。

　　地球里面，存在獨立轉動的“內部星球”

　　內核相對地幔和地殼的轉動被稱為內核的“差速旋轉”，受到地球內部作用力的影響。

　　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生的熱量，整個地球呈熔融狀態(tài)。而后不同密度的物質開始發(fā)生分異，較輕的物質向上移動，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，形成了鐵鎳合金質的地核。地核的半徑約占整個地球的一半，其上的地幔占據(jù)了地球的大部分體積，而地殼相對而言只是薄薄的一層。因此，人們常用雞蛋的結構（蛋殼、蛋清和蛋黃）來類比地球的圈層結構（地殼、地幔和地核）。

　　在早期地核的溫度和壓力條件下，構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)的金屬物質向地心沉降，于是形成了一個固態(tài)的內核。這個過程至今仍然在持續(xù)，內核逐漸長大，如今它的半徑已經(jīng)達到了1220公里，比月亮略小一些。

　　內核在冷凝析出的過程中會釋放出熱量，不斷“加熱”外核的底部，如同燒開水一樣促進了外核的對流。同時，地核中的物質仍然在繼續(xù)發(fā)生分異，輕元素在內核的生長過程中在內外核邊界釋放出來，其上升過程也為外核對流提供了重要的動力來源。在初始種子磁場存在的基礎上，以鐵、鎳等金屬導體為主要成分的外核液體中將會產生電流，而這些電流又會引發(fā)磁場。在這個過程中，電場和磁場互相加強、維持，產生了一個自持續(xù)的地磁場，這個機制被稱為“地球發(fā)電機”。

　　內核就像一個懸浮在液態(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）進行不一致的運動。內核相對地幔和地殼的轉動被稱為內核的“差速旋轉”。早在20世紀80年代，英國著名地球物理學家戴維·古賓斯就提出，在地球發(fā)電機的理論框架下，地核的磁場會在鐵合金質的地球內核中引起電流，并產生一個磁力矩，使內核以超出地幔的速度旋轉。在90年代中期，加里·格拉茨邁爾和保羅·羅伯茨通過計算機進行三維數(shù)值模擬，復現(xiàn)了磁極倒轉現(xiàn)象和內核的差速旋轉現(xiàn)象，并預測內核的轉速與地表轉速可相差每年幾度。

　　然而隨著理論的發(fā)展和計算機模擬能力的進步，地球動力學家們意識到內核的轉動并不僅僅是受到電磁力的驅動這么簡單。由于地幔和內核都是不均一的球體，二者之間有著強烈的萬有引力。在這種重力耦合作用下，內核會傾向于轉動到一個重力勢能最低的均衡位置。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，最終是要回到最低點的。因此，在理論上可以預測內核的差速旋轉的存在，但是它取決于內核的受力狀態(tài)，包括電磁力、重力以及摩擦阻力等多種復雜因素的影響。

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

　　下一次反向將出現(xiàn)在本世紀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際觀測中看到地球內核的差速旋轉呢？

　　1996年，還在哥倫比亞大學的筆者（宋曉東，編者注）與美國地球物理學家保羅·理查茲在《自然》發(fā)表封面文章，首次利用地震波觀測到了內核差速旋轉的證據(jù)。我們觀測到，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站接收到的地震波中，穿透內核的震相的到時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構，也就是說該路徑上的內核結構發(fā)生了變化。我們將這個變化解釋為由內核差速旋轉所引起，并計算出內核比地幔和地殼的自轉速度快大約1°/年。

　　這是人類首次觀測到深部地球的動態(tài)變化，引起了地球科學界的極大轟動，該成果也被美國《科學》雜志評為當年十大科學突破之一，并被《發(fā)現(xiàn)》雜志評為20世紀最重要的發(fā)現(xiàn)之一。自此，地學界也興起了一陣觀測地球內核的熱潮。在后續(xù)研究中，差速旋轉現(xiàn)象被更多的觀測證實，比如美國地震學家約翰·維達力于2000年發(fā)現(xiàn)了內核的淺部有一些小尺度的不均質體，并且通過蘇聯(lián)在1971年和1974年的核爆試驗產生的地震波的對比中發(fā)現(xiàn)這些不均質體的位置發(fā)生了橫向移動。

　　但也有研究者一直質疑，這些地震波的變化可能是震源位置的變化造成的影響，而非內核的差速旋轉。

　　直到2005年，筆者（宋曉東研究組，編者注）與哥倫比亞大學的保羅·理查茲研究組進一步合作，利用“重復地震”技術，得到了內核隨時間變化的無可爭辯而又簡潔有力的證據(jù)，進一步支持了內核的差速旋轉。重復地震是指發(fā)生在不同時刻，但具有幾乎相同的震源位置和發(fā)震機制的一組地震，因此在介質不變的情況下，在同一臺站接收到的兩次地震的地震波也會幾乎一樣。通過對比兩次重復地震的內核波形，可以從中推測出兩次地震之間內核的結構發(fā)生了怎樣的變化，從而了解差速旋轉的幅度。這就好比給人做了兩次CT掃描，通過對比兩次掃描的結果，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家指出地震波觀測信號隨時間變化的現(xiàn)象并不一定是地球內核的旋轉導致，而是其邊界出現(xiàn)了局部的增長或者消融。因此，內核的差速旋轉仍然存在著一定的爭議。

　　此次研究，就對這樣的爭議給出了很好的回應。回到北京大學的筆者首次揭示了地球內核的差速旋轉模式在近半個多世紀以來的變化。研究發(fā)現(xiàn)，地球內核從20世紀70年代初開始，轉動速度略快于地球表面，也就是相對于地表自西向東差速旋轉；在2009年左右差速旋轉幾乎停止，而后甚至出現(xiàn)緩慢的反向（自東向西）差速旋轉。觀測到的數(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，這對于如此復雜的地球介質來說是驚人的，也有力地支持了內核差速旋轉的解釋。

　　我國學者王巍和約翰·維達力的研究表明，在20世紀70年代初期，內核的差速旋轉也曾出現(xiàn)從自東向西變成自西向東的反向現(xiàn)象。據(jù)此可知，內核的差速旋轉就像是“蕩秋千”，目前觀測到的內核在70年代初和2009年附近的兩次反向，分別對應“蕩秋千”時在前方和后方的兩個最高點。根據(jù)這個規(guī)律，預計下一次反向將出現(xiàn)在本世紀40年代初，與目前的觀測組成一個完整的振蕩周期，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、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應關系，這對于印證地球從內核到地表的耦合關系有重要意義。根據(jù)這項研究，在全世界范圍內首次建立了地表變化與地心變化相聯(lián)系的觀測證據(jù)，這對于我們理解地球深部動力學過程以及地球系統(tǒng)的運行機制提供了全新的約束。

　　內核差速旋轉在變化，但公眾無需焦慮

　　理解地球內部的運作規(guī)律很重要，但不會對日常生活造成可感知到的影響。

　　美國科幻災難片《地心搶險記》曾描述了這樣一個場面：地核由于未知原因停止了轉動，導致磁場消失，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。這項關于內核旋轉模式變化的成果發(fā)表之后，許多人開始擔心災難是否就要降臨。

　　事實上，我們大可不必為此而擔憂。關于此次對內核旋轉模式變化的發(fā)現(xiàn)，我們需要明確的是，內核差速旋轉的停止，并不意味著內核不再隨著地球旋轉，而是說內核與整個地球的轉速差異減小了。由于各種力的作用，“懸浮”在液態(tài)外核中的內核時而轉得比地球快，時而轉得比地球慢，但這個相對運動對于整個地球的自轉而言是非常小的。就像一個微微顫動的彈簧，內核的旋轉速度在一個平衡位置周圍微微擺動。這個擺動對于科學研究有著重要的意義，它能提供對地球深部動力過程的約束以及對一些高精密度測量造成影響；但對于一個具有自我調節(jié)能力的地球系統(tǒng)而言，這些變化并不會對我們的日常生活造成可感知到的影響。

　　以日長（地球自轉的周期）變化為例，它的頻譜范圍較寬，包含長期趨勢變化、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雜，除與地核的耦合作用外，如潮汐、冰川、季風、洋流等都會對它造成影響。根據(jù)分析，日長變化在68年左右的周期上幅度很大，這與內核差速旋轉周期有很好的對應，但變化量僅在毫秒級別，這甚至比眨一次眼睛所花費的時間還短。相對于我們通常熟悉的24小時，一天的時間變長或變短幾個毫秒對于日常生活不會產生任何影響。內核差速旋轉變化對磁場造成的影響與之類似。已有觀測表明，磁場強度變化存在64年左右的變化周期，這也與內核旋轉模式變化的周期相對應。但這個周期的磁場變化是非常小的，無論從時間尺度上還是從強度上都不足以解釋或引發(fā)磁極的反轉。

　　更為有趣的是，在地球的氣候系統(tǒng)中也觀測到了60年~70年周期的變化模式。我們常認為，人類活動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行系統(tǒng)的評估，但地球深部的內核差速旋轉和外核對流等動力過程很可能對地表氣候系統(tǒng)有一定的貢獻。只有系統(tǒng)地研究清楚地球深部對地表的影響機制和幅度，才能更好地評估人類活動的影響。

　　總之，我們不必為了聽起來非常遙遠陌生的內核變化而恐慌，但也不能忽視地球深部過程的影響。地球科學博大精深，地球內核隱秘而遙不可及，但它復雜的結構和活躍的運動吸引著一代又一代科研工作者為之癡迷。對于知識的追求是具有高等智慧的人類的基本需求。對這顆我們生于斯、長于斯的星球進行了解和探究，是我們需要做的一件基本的事，也是探索類地星球的基礎。正是這樣一份好奇和堅持，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。