地球内核的成核悖论

地球内核的成核悖论
在过去80多年来，科学家已经知道，一个结晶的地球内核是存在的。但凯斯西储大学的科学家指出，这种被广泛接受的观点忽略了一个关键点，只要考虑到这个关键点，就会暗示地球内核不应该存在。
众所周知，在一定压强下，物质的温度必须小于等于它的凝固点温度才能保持固态。但事实证明，最初从液态金属中形成晶体时需要额外的能量。这种额外的能量就是成核能垒，只有克服这种能垒，液体才有可能结晶。然而，最初有关地球内核的形成模型却没有考虑到这一因素

为了克服成核能垒来形成晶体，液体的温度需要低于凝固点，形成“过冷”的状态。或者在液体中加入一些其他物质，使其成为成核点，这样可以降低成核能垒，从而更容易结晶。
该研究的主要作者之一Steven Hauck教授表示：“此前，包括我们在内的所有人似乎都忽略了这个大问题——液态金属不会立即开始结晶，除非有什么东西能够大幅降低能量位垒。”
然而，在地球中心的巨大压力下，金属的成核能垒相当高。内核的温度高达5700开氏度，压力则高达地球大气压的300多万倍。在这种高压下，为了使内核结晶，需要使液态金属的温度低于凝固点（或者熔融温度）多达1000度。如果地球中心达到了这个温度，那么几乎整个地核都应该迅速结晶，但实际上却没有。事实上，地球的温度每10亿年才降低100度，所以不可能出现1000度的大幅降温。
因此，如果地核是均相液体，那么，固态的内核就应该不存在，因为它不能过冷到这种程度。那么，如果地核不是均相液体，它又是如何演变成这样的呢？这就是地球内核的成核悖论。

地球固态内核的可能形成原因
如上所述，液体结晶要么需要过冷，要么需要成核剂，前者在地核中是不可能的，只有后者才是有可能的。研究团队认为，大块的固体金属从地核上方的地幔中慢慢掉下来，进入液态地核以降低成核能垒，从而引发结晶。不过，这需要一块大如一座大型城市的金属块，只有足够大的重量才能穿过地幔，进入地核，使其成为成核点，而不会完全熔化。
对此，另一位科学家Van Orman教授表示：“如果真的是这样，我们需要弄清楚这到底是怎么发生的。此外，行星核心中是否存在一些我们此前所未曾想到过的一般特征，可以使其克服成核能垒？固态的地球内核是存在的，现在我们要弄清楚它究竟是如何形成的。”
目前，这项研究已经发表在《地球与行星科学快报》（Earth and Planetary Science Letters）上。

Earth's inner core nucleation paradox
LudovicHuguetaJames A.Van OrmanaSteven A.HauckIIaMatthew A.Willardb
Earth and Planetary Science LettersVolume 487, 1 April 2018, Pages 9-20

很值得研究，可惜没有多少地学家关注

： 新华网 2012年05月02日 14:24:15
新华网合肥５月２日电（记者 徐海涛）中国科学技术大学教授温联星等利用地震学证据，在国际上首次证明地球内核边缘存在形状不规则现象，因此科学界需要对产生地球磁场的驱动力重新评估。该研究成果４月３０日发表在国际权威学术期刊《美国科学院院刊》上。
地球内核是个如同月球般大小的固体铁球，外面被高速流动的液态铁镍合金等元素组成的外核、高黏度的地幔和固态的地壳所包围。地球内核随着地球内部的冷却从外核凝固，并逐渐向外生长。在此过程中，内核增长产生潜热并释放较轻的元素，为外核的热化学对流提供驱动力，而外核对流则是地球磁场产生的原因。
国际科学界原有的观念认为，由于外核温度变化极小，地球内核的凝固过程在不同地理位置上应是均匀的，因此内核表面应该是均匀光滑的，凝固过程产生的地磁场驱动力也应该是横向均匀的。
在国家自然科学基金重点项目和中国科学院、国家外国专家局“创新团队国际合作伙伴计划”的资助下，中科大地球和空间科学学院教授温联星与讲师戴志阳、研究生王巍合作，通过分析和模拟南太平洋西部海域三个深部地震散发的、从地球内核表面反射的地震波的走时（即地震波从震源到达观测点所需的时间）和振幅，发现地球内核表面至少拥有一种横向６公里、垂向起伏１４公里的地形，以及另一种横向２至４公里、垂向起伏４至８公里的系列地形。这一研究结果证明地球内核表面并非均匀光滑，而是至少拥有两个不同尺度的不规则地形。
由于地球磁场拦截了太阳辐射来的带电粒子和来自宇宙的射线，使它们不能冲破大气层到达地面，而是留在高空环绕地球流动，这对于生物的生存与繁衍具有重要的保护作用。温联星等人的研究成果表明，产生地磁场的驱动力随区域不同而变化，因此科学界需要重新评估产生地磁场的驱动力。