地球內(nèi)核在“搖頭”還是“長(zhǎng)痘痘”？

關(guān)于地球內(nèi)核究竟是整體差異旋轉(zhuǎn)，還是其邊界存在局部動(dòng)態(tài)變化，學(xué)界長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議。據(jù)筆者初淺的認(rèn)知，北京大學(xué)宋曉東教授團(tuán)隊(duì)支持“內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)”假說(shuō)（即內(nèi)核相對(duì)于地幔發(fā)生緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，形象地稱(chēng)為“搖頭”），該觀點(diǎn)最早由 Song 與 Richards 于1996年在《Nature》上提出；而紐約州立大學(xué)石溪分校的溫聯(lián)星教授團(tuán)隊(duì)則主張內(nèi)核邊界存在局部起伏或結(jié)構(gòu)變化（形象地稱(chēng)為“長(zhǎng)痘痘”），這一觀點(diǎn)最早由 Wen 于2006年發(fā)表于《Science》。

幸運(yùn)的是，在2025年的AGU年會(huì)上，筆者有幸與北京大學(xué)的Kaixin Wu博士和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Xin Zhang博士深入交流。她們分別代表“內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)”與“內(nèi)核邊界局部變化”的觀點(diǎn)。通過(guò)與兩位博士的詳細(xì)討論，筆者深切感受到：在當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)仍較為有限的情況下，兩種觀點(diǎn)各自都能構(gòu)建出邏輯自洽的解釋框架，也都能令人信服。那么，究竟哪一種模型更接近真實(shí)？這一問(wèn)題或許亟需引入第三方的獨(dú)立證據(jù)加以檢驗(yàn)與甄別。在此，謹(jǐn)向兩位博士致以誠(chéng)摯謝意，感謝她們耐心細(xì)致的講解，使我對(duì)這一前沿科學(xué)問(wèn)題有了初步的理解。

鑒于該問(wèn)題頗有趣味，筆者在返回北京后查閱了數(shù)篇相關(guān)文獻(xiàn)，并撰成此小文。需要事先說(shuō)明的是，筆者并非該領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人士，文中所述難免存在疏漏與謬誤，掛一漏萬(wàn)之處在所難免，懇請(qǐng)各位讀者不吝批評(píng)指正。

0 那么，為什么要研究地球內(nèi)核？

地球內(nèi)核雖深埋地下5000公里，卻關(guān)乎生命存續(xù)。約5.65億年前，地球磁場(chǎng)一度衰減至現(xiàn)今的10%，瀕臨崩潰；但隨后迅速恢復(fù)，恰與“寒武紀(jì)大爆發(fā)”同步。科學(xué)家認(rèn)為，這得益于固態(tài)內(nèi)核的形成——它從液態(tài)外核中結(jié)晶，驅(qū)動(dòng)金屬流動(dòng)，重振磁場(chǎng)，為生命重建保護(hù)屏障。羅切斯特大學(xué)John Tarduno指出：“內(nèi)核在關(guān)鍵進(jìn)化時(shí)刻再生了地球磁場(chǎng)。”而內(nèi)核為何在此時(shí)誕生、如何演化，仍是重大謎題。澳大利亞國(guó)立大學(xué)Hrvoje Tkalcic稱(chēng)其為“行星中的行星”，擁有自身結(jié)構(gòu)、地形甚至自轉(zhuǎn)。探索內(nèi)核，不僅揭示地球深部動(dòng)力學(xué)，更關(guān)乎磁場(chǎng)起源與生命演化的根本聯(lián)系。

1 地球內(nèi)核探測(cè)先驅(qū)

談到地球內(nèi)核的探測(cè)，不得不提丹麥地球物理學(xué)家英格·萊曼（Inge Lehmann）。

她于1936年發(fā)表了一篇標(biāo)題僅有一個(gè)詞的經(jīng)典論文——《P′》（讀作“P prime”），其中“P′”指代一類(lèi)異常反射的P波，由此揭示了地球內(nèi)核的存在。

早在20世紀(jì)初，科學(xué)家已通過(guò)“地震陰影區(qū)”確認(rèn)地核的存在：S波在地核區(qū)域完全消失，表明外核為液態(tài)；而P波則發(fā)生折射。然而，萊曼在1930年代初注意到，某些P波竟出現(xiàn)在本應(yīng)無(wú)P波到達(dá)的影區(qū)內(nèi)。

她敏銳地意識(shí)到，這些異常信號(hào)只能由一個(gè)致密、固態(tài)的內(nèi)核對(duì)P波的反射或折射來(lái)解釋。據(jù)此，她提出地球中心存在一個(gè)固態(tài)內(nèi)核，后被測(cè)定直徑約2440公里——這顆深藏于液態(tài)外核之中的“行星中的行星”，由此揭開(kāi)地球深部結(jié)構(gòu)的新篇章。

2 發(fā)電機(jī)模型

1995年，加里·A·格拉茨邁爾（Gary A. Glatzmaier）與保羅·H·羅伯茨（Paul H. Roberts）在《Nature》上發(fā)表了一項(xiàng)重要成果：他們構(gòu)建了一個(gè)三維、自洽的地磁發(fā)電機(jī)數(shù)值模型。該模型模擬揭示地球內(nèi)核可能存在差異旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象——其旋轉(zhuǎn)速率比地幔和地殼略快，角速度差可達(dá)每秒幾納弧度，并在約500年的時(shí)間尺度上發(fā)生變化。

宋曉東博士當(dāng)年可能正是受此啟發(fā)，開(kāi)啟了研究地球內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)之路。換言之，宋曉東博士當(dāng)年研究地球內(nèi)核是否存在差異旋轉(zhuǎn)，或許是希望驗(yàn)證或反駁地球動(dòng)力學(xué)發(fā)電機(jī)模型所預(yù)測(cè)的結(jié)果。

3 內(nèi)核超速旋轉(zhuǎn)模型

南桑威奇群島位于南大西洋偏遠(yuǎn)海域，地處南美板塊俯沖帶，地震頻發(fā)。其獨(dú)特的地理位置使從該地發(fā)出的地震波可近乎筆直穿過(guò)地球內(nèi)核，抵達(dá)阿拉斯加的地震臺(tái)站，為探測(cè)內(nèi)核提供了理想路徑。

1996年，哥倫比亞大學(xué)地震學(xué)家宋曉東與保羅·理查茲利用這一幾何優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)分析了數(shù)十年間數(shù)十次南桑威奇地震的P波走時(shí)數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)：穿過(guò)外地核和地幔的波走時(shí)穩(wěn)定，但穿越內(nèi)核的P波卻逐年略微加快。

注：所謂“走時(shí)”，是指地震波沿某一路徑傳播所需的時(shí)間。上述這段話用大白話來(lái)說(shuō)就是：即使路徑相同，不同年份的P波穿越地球內(nèi)核所用的時(shí)間卻不盡相同。

上圖展示了來(lái)自幾乎完全相同位置、相隔約15年發(fā)生的兩次地震的PKP波形疊加圖。BC和AB之間的時(shí)間差幾乎完全相同，證實(shí)了這兩次事件的位置確實(shí)非常接近。然而，1982年記錄的DF信號(hào)相對(duì)于BC的到時(shí)，比1967年記錄的DF信號(hào)早了約0.4秒。

他們提出，內(nèi)核并非與地幔同步旋轉(zhuǎn)，而是以略快的速度“超速旋轉(zhuǎn)”——每年比地表快約1度，導(dǎo)致地震波路徑逐漸對(duì)齊內(nèi)核中一個(gè)高速南北向結(jié)構(gòu)，從而縮短走時(shí)。1996年，他們?cè)凇蹲匀弧钒l(fā)表論文，推斷內(nèi)核每400年相對(duì)于地表多轉(zhuǎn)一圈，首次為“內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)”提供了觀測(cè)證據(jù)。

該模型很好地解釋了三維地磁發(fā)電機(jī)模擬所預(yù)測(cè)的內(nèi)核可能存在相對(duì)于地球整體自轉(zhuǎn)更快的差速旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，似乎為這一科學(xué)問(wèn)題畫(huà)上了一個(gè)句號(hào)。

4 內(nèi)核邊界局部變化模型

然而，十年后，溫聯(lián)星博士在《Science》上發(fā)表論文指出，所觀測(cè)到的走時(shí)變化可能源于地球內(nèi)核邊界（ICB）存在局部且快速的動(dòng)態(tài)變化。他巧妙利用1993年與2003年發(fā)生在南桑威奇群島的一對(duì)“地震波形雙胞胎”事件——即震源機(jī)制和波形高度相似的兩次地震——通過(guò)高精度對(duì)比其在俄羅斯和吉爾吉斯斯坦三個(gè)地震臺(tái)站記錄的PKiKP波（即在內(nèi)核邊界反射的P波）走時(shí)，發(fā)現(xiàn)2003年事件的PKiKP波比1993年提前了39至70毫秒。

在精確校正兩次事件的相對(duì)位置與發(fā)震時(shí)刻后，這一走時(shí)差異被確認(rèn)為真實(shí)的時(shí)間變化，而非定位誤差。研究據(jù)此推斷：在1993至2003年間，非洲中部下方的內(nèi)核半徑局部增加了約0.98至1.75公里。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了內(nèi)核緩慢、均勻生長(zhǎng)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，表明其邊界具有動(dòng)態(tài)、不規(guī)則的地形，且生長(zhǎng)過(guò)程可能在局部區(qū)域快速發(fā)生。

關(guān)于地球內(nèi)核的動(dòng)態(tài)行為，目前尚無(wú)定論：一種主流觀點(diǎn)認(rèn)為內(nèi)核整體相對(duì)于地幔存在差異旋轉(zhuǎn)；另一種則主張所觀測(cè)到的信號(hào)源于內(nèi)核邊界（ICB）局部且快速的半徑變化。此外，還有研究提出這兩種機(jī)制可能共存；更有學(xué)者推測(cè)內(nèi)核可能處于振蕩狀態(tài)——即在某一階段超速旋轉(zhuǎn)，隨后又減速甚至反向回轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出周期性擺動(dòng)，且不同階段的旋轉(zhuǎn)速率可能存在顯著差異。這一系列模型凸顯了地球內(nèi)核動(dòng)力學(xué)過(guò)程的復(fù)雜性，亟需引入獨(dú)立的第三方證據(jù)，以甄別和約束更具物理合理性的模型。

同時(shí)，對(duì)這一問(wèn)題的研究也彰顯了地震學(xué)的獨(dú)特威力——在溫度與壓力都極端異常的地核深處，或許唯有借助地震波，才能“聆聽(tīng)”地球最深部的脈動(dòng)。這，或許正是地震學(xué)研究的魅力所在。

如此重大的發(fā)現(xiàn)，竟源于微弱的P波到時(shí)差異，正所謂“于細(xì)微處見(jiàn)真章”。

God Is in the Details！

參考資料

Glatzmaiers, G. A., & Roberts, P. H. (1995). A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal.Nature,377(6546), 203-209.

Song, X., & Richards, P. G. (1996). Seismological evidence for differential rotation of the Earth's inner core.Nature,382(6588), 221-224.

Voosen, P. (2022). The planet inside.Science,376(6588), 18-22.

Wang, W., Vidale, J. E., Pang, G., Koper, K. D., & Wang, R. (2024). Inner core backtracking by seismic waveform change reversals.Nature,631(8020), 340-343.

Wen, L. (2006). Localized temporal change of the Earth's inner core boundary.Science,314(5801), 967-970.

Yang, Y., & Song, X. (2023). Rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt.NATURE GEOSCIENCE,16(2), 113-114.

https://www.lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/inge-lehmann/

https://www.ldeo.columbia.edu/~richards/Jefflec.html