地核內核：超離子態？

地球有一個鐵質的核，地核的外面是地幔，最外層是薄薄的地殼。科學家們推測，在地球剛剛形成的時候，它可能并沒有這種明顯的分層結構，后來，最重的鐵和一些鎳向中心沉降形成了地核，較輕的物質則浮在上面。于是，地球有了明顯的分層，形成了地核、地幔和地殼。

地核處在地球的中心，非常灼熱，它的外層被認為是熔化的鐵和鎳。地核中心是固體的鐵和鎳，大小和月亮差不多，被稱為“內核”。

科學家們認為，內核原本也是液態的，隨著地球的冷卻，地球內部極大的壓力使內核以固體的形式存在，直徑也漸漸地變大。而外核則是一個溫度高達8000℃的鐵和鎳的海洋。

對地核物質的新認識

半個多世紀以來，人們對地球內部結構的了解都基于以上的認知。但最近，科學家們提出了不同的看法。借助計算機模擬技術，我國科學家對地球核心部位可能具有的物質性質進行了計算模擬。結果顯示，地球內核可能并不像以往認為的那樣是固態的，而是由固態的鐵元素和流動的輕元素組成的超離子態。在這樣的形態中，鐵元素作為“骨架”而存在，而輕元素則在其間自由地流動。

那么，什么是超離子態？我們常將自然界中的物質分成三種狀態，即固態、液態和氣態。然而實際上，有些物質具有更加奇怪的特性——它們不屬于這三態中的任何一態。超離子態就是這樣，它介于固態和液態之間，其中一部分物質像液體一樣自由地流動，而另外一部分則是穩定的“骨架”，起著支撐物質結構的作用。

為了研究地核，中國科學院的地球物理學家們模擬了內核在預期的壓力和溫度下的狀態，這就等于重現了地心的極端壓力和溫度。科學家們想知道，在這種極端環境下，各種可能存在的元素，例如鐵、氫、氧和碳，會有怎樣的表現。

通常情況下，固體中的原子會排列成有序的網格，它們會牢牢地固定在自己的位置上。然而在模擬的地核中，鐵元素轉變成了鐵原子的框架，而另一些較輕的元素則像液體一樣自由地穿越那些固體的晶格。也就是說，在地核極端的環境中，較輕的元素在移動，而鐵則保持穩定。

深入地下12千米

探索地球內部的奧秘一直是科學界的重要課題，但我們所居住的地球是一個巖質行星，它的表面被堅硬的地殼覆蓋著，人們很難穿透它去直接認知地球內部的世界，因而最初只能靠猜測推斷地球內部的狀態。例如，人們曾認為地下是一個有著巨大洞穴的世界，或者認為地球的內部有一個核。這些猜測有些離奇，但也存在一定的合理性。

到了近現代，隨著鉆探技術的進步，科學家們開始希望用鉆探的方法進入地球的深處。若能夠鉆透地殼，直接取到一塊地球深處的物質，豈不是最有利于研究的辦法嗎？

地殼看起來并不厚。20世紀50年代末期，科學家們啟動了一項名為“莫霍計劃”的工程，他們在太平洋海底實施鉆探，想深入地下取到一塊地幔的樣本，但并沒有達到目的。后來，科學家們在俄羅斯西北端的科拉半島實施鉆探，但他們工作了24年也依然沒有鉆穿地殼，而鉆頭已經深入到了地下12千米的地方，這個深度非常驚人，但還遠遠不夠鉆透地殼，大約只完成了一半的距離。

人們利用鉆探技術都無法鉆透地殼，那么今天人們對地球內部結構的認識是如何獲得的呢？原來，科學家們利用了地震波。

發現內核的歷史

地震波是地震發生時穿透地球內部的物理波。由于地震波在不同介質中有不同的傳播速度和路徑，科學家們就可以利用這些特性來獲得地球內部的信息，從而研究地球內部的結構。通過使用這種方法，人們對地殼、地幔和地核有了基本的認識。

地震波中的P波（縱波）和S波（橫波）是極不相同的兩種波。振動方向與傳播方向一致的波為P波，而振動方向與傳播方向垂直的波為S波。前者引起上下波動，后者引起水平晃動。并且，它們還有其他方面的不同。例如，S波只能在固體中傳播，而P波則能在固體、液體和氣體中傳播。另外，它們的傳播速度也不一樣，P波傳播得快，S波傳播得慢。

科學家們發現，地震波在地球內部傳播時，地球的中心缺乏S波，因此他們認為，很可能是這種波在抵達地核時碰到了液態的緣故——因為S波不能在液體中傳播，所以存在部分S波缺失。基于這個原因，20世紀以前，多數科學家都認為地核的組成部分是液態的鐵。

1929年，一次達里氏7.8級的大地震襲擊了新西蘭。當時，丹麥地震學家英奇·萊曼在閱讀地震儀上記錄的數據時注意到了一個新情況。她發現，一束P波偏轉了傳播的方向，這使她覺得地核并不完全是液態的。1936年，她發表了一篇論文，文中指出，那束異常的P波一定是在鐵水中遇到了密度更高的物質，導致它偏轉了方向。她認為，在地球液態的外核中還存在一個固態的“內核”。

就這樣，地球的固體內核被人們發現了，這個內核是由固體的鐵和鎳組成的，這是人類探索地核奧秘的重大進步。然而，問題解決了嗎？

2021年，一項基于S波穿過地球內部狀況的研究表明，地球的內核并不像曾經認為的那樣是完全的固體，它好像是由多種狀態的“糊狀”材料組成的。

是超離子態嗎

人們研究發現，在地核中，S波的傳播速度比人們預期的要低，這表明地核的內部結構似乎并不是穩定的。隨著時間的推移，人們對地核內部元素的分布和組成產生了越來越濃厚的探索興趣。2022年2月10日，我國科學家在《自然》雜志上發表了他們對地球核心部位可能具有的物質性質進行計算模擬的研究成果，提出了超離子態內核的觀點。他們認為，正是地核的超離子態減緩了S波的傳播速度，說明鐵在內核邊界凝固，但輕元素的流動性并沒有改變，它們在內核中的流動是通暢的。

內核超離子態的觀點提供了一種全新的思路，也引發了全球科學家的廣泛關注。我們知道地球存在一個巨大的磁場，這個磁場究竟產生于哪里？它又是如何形成的呢？

一般認為磁場產生于地核，但具體的狀態和形成原因卻并不明晰。目前，超離子態內核的新觀點更新了科學界關于內核狀態的傳統看法，這迫使人們重新思考地球磁場的存在和形成的原因，也為認識地球內核結構與磁場之間的關系提供了全新的視角。

如今，我們已經知道行星的磁場是非常重要的，因為行星的大氣層需要磁場的保護。假若沒有磁場，太陽輻射和太陽風就會直接沖擊行星的表面，而這種情況在金星上已經發生了——金星上沒有磁場，所以金星大氣中的水分流失得很厲害，最終使金星變成了一個干旱炎熱的星球。由此看來，探索磁場的產生和演化非常重要，而這一切都與地核存在的狀態極有關聯。

目前，對于地核的研究還需要進一步深入，有關地球內核的超離子態的新觀點需要更多證據的支持，所以人類對地核奧秘的探索還將進行下去。