作者：宋曉東(dong) 、楊翼（分別係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(ge) 雞蛋，由一個(ge) 一個(ge) 圈層組成。內(nei) 核是最中心的部分，它雖然遙遠，但與(yu) 地球的形成和演化息息相關(guan) ，並影響著地球的磁場和自轉。地球的內(nei) 核甚至還會(hui) 相對地表旋轉。如果地球內(nei) 核的運動規律變了，會(hui) 發生什麽(me) ？近期，北京大學地球與(yu) 空間科學學院講席教授宋曉東(dong) 和該院特聘副研究員楊翼在國際學術期刊《自然·地球科學》上發表論文，揭示了地球內(nei) 核的差速旋轉在近十幾年來出現停止並逐漸反轉的現象，首次為(wei) 地心與(yu) 地表存在動力學聯係提供了證據。

　　地球裏麵，存在獨立轉動的“內(nei) 部星球”

　　內(nei) 核相對地幔和地殼的轉動被稱為(wei) 內(nei) 核的“差速旋轉”，受到地球內(nei) 部作用力的影響。

　　地球在形成初期，由於(yu) 形成過程中的撞擊和放射性元素衰變所產(chan) 生的熱量，整個(ge) 地球呈熔融狀態。而後不同密度的物質開始發生分異，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(ge) 地球的一半，其上的地幔占據了地球的大部分體(ti) 積，而地殼相對而言隻是薄薄的一層。因此，人們(men) 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的。然而隨著地球的熱量不斷散失，液態地核不斷冷卻，逐漸析出固態的金屬物質向地心沉降，於(yu) 是形成了一個(ge) 固態的內(nei) 核。這個(ge) 過程至今仍然在持續，內(nei) 核逐漸長大，如今它的半徑已經達到了1220公裏，比月亮略小一些。

　　內(nei) 核在冷凝析出的過程中會(hui) 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發生分異，輕元素在內(nei) 核的生長過程中在內(nei) 外核邊界釋放出來，其上升過程也為(wei) 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(ti) 為(wei) 主要成分的外核液體(ti) 中將會(hui) 產(chan) 生電流，而這些電流又會(hui) 引發磁場。在這個(ge) 過程中，電場和磁場互相加強、維持，產(chan) 生了一個(ge) 自持續的地磁場，這個(ge) 機製被稱為(wei) “地球發電機”。

　　內(nei) 核就像一個(ge) 懸浮在液態外核中的小球，稍加外力幹擾，就可能與(yu) 包裹著它的液體(ti) 乃至之外的容器（地幔和地殼）進行不一致的運動。內(nei) 核相對地幔和地殼的轉動被稱為(wei) 內(nei) 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，在地球發電機的理論框架下，地核的磁場會(hui) 在鐵合金質的地球內(nei) 核中引起電流，並產(chan) 生一個(ge) 磁力矩，使內(nei) 核以超出地幔的速度旋轉。在90年代中期，加裏·格拉茨邁爾和保羅·羅伯茨通過計算機進行三維數值模擬，複現了磁極倒轉現象和內(nei) 核的差速旋轉現象，並預測內(nei) 核的轉速與(yu) 地表轉速可相差每年幾度。

　　然而隨著理論的發展和計算機模擬能力的進步，地球動力學家們(men) 意識到內(nei) 核的轉動並不僅(jin) 僅(jin) 是受到電磁力的驅動這麽(me) 簡單。由於(yu) 地幔和內(nei) 核都是不均一的球體(ti) ，二者之間有著強烈的萬(wan) 有引力。在這種重力耦合作用下，內(nei) 核會(hui) 傾(qing) 向於(yu) 轉動到一個(ge) 重力勢能最低的均衡位置。就像我們(men) 蕩秋千似的，受到阻力影響，沒有持續的外力推動，最終是要回到最低點的。因此，在理論上可以預測內(nei) 核的差速旋轉的存在，但是它取決(jue) 於(yu) 內(nei) 核的受力狀態，包括電磁力、重力以及摩擦阻力等多種複雜因素的影響。

　　二十多年持續研究發現，內(nei) 核差速旋轉就像“蕩秋千”

　　下一次反向將出現在本世紀40年代初，變化周期約為(wei) 60年～70年。

　　理論研究走在了前麵，那我們(men) 是否可以從(cong) 實際觀測中看到地球內(nei) 核的差速旋轉呢？

　　1996年，還在哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的筆者（宋曉東(dong) ，編者注）與(yu) 美國地球物理學家保羅·理查茲(zi) 在《自然》發表封麵文章，首次利用地震波觀測到了內(nei) 核差速旋轉的證據。我們(men) 觀測到，發生於(yu) 南美洲與(yu) 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台站接收到的地震波中，穿透內(nei) 核的震相的到時在幾十年的尺度上發生了係統性的變化。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(nei) 核結構發生了變化。我們(men) 將這個(ge) 變化解釋為(wei) 由內(nei) 核差速旋轉所引起，並計算出內(nei) 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》雜誌評為(wei) 當年十大科學突破之一，並被《發現》雜誌評為(wei) 20世紀最重要的發現之一。自此，地學界也興(xing) 起了一陣觀測地球內(nei) 核的熱潮。在後續研究中，差速旋轉現象被更多的觀測證實，比如美國地震學家約翰·維達力於(yu) 2000年發現了內(nei) 核的淺部有一些小尺度的不均質體(ti) ，並且通過蘇聯在1971年和1974年的核爆試驗產(chan) 生的地震波的對比中發現這些不均質體(ti) 的位置發生了橫向移動。

　　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(nei) 核的差速旋轉。

　　直到2005年，筆者（宋曉東(dong) 研究組，編者注）與(yu) 哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的保羅·理查茲(zi) 研究組進一步合作，利用“重複地震”技術，得到了內(nei) 核隨時間變化的無可爭(zheng) 辯而又簡潔有力的證據，進一步支持了內(nei) 核的差速旋轉。重複地震是指發生在不同時刻，但具有幾乎相同的震源位置和發震機製的一組地震，因此在介質不變的情況下，在同一台站接收到的兩(liang) 次地震的地震波也會(hui) 幾乎一樣。通過對比兩(liang) 次重複地震的內(nei) 核波形，可以從(cong) 中推測出兩(liang) 次地震之間內(nei) 核的結構發生了怎樣的變化，從(cong) 而了解差速旋轉的幅度。這就好比給人做了兩(liang) 次CT掃描，通過對比兩(liang) 次掃描的結果，可以看出這期間病人的髒器有什麽(me) 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象並不一定是地球內(nei) 核的旋轉導致，而是其邊界出現了局部的增長或者消融。因此，內(nei) 核的差速旋轉仍然存在著一定的爭(zheng) 議。

　　此次研究，就對這樣的爭(zheng) 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(nei) 核的差速旋轉模式在近半個(ge) 多世紀以來的變化。研究發現，地球內(nei) 核從(cong) 20世紀70年代初開始，轉動速度略快於(yu) 地球表麵，也就是相對於(yu) 地表自西向東(dong) 差速旋轉；在2009年左右差速旋轉幾乎停止，而後甚至出現緩慢的反向（自東(dong) 向西）差速旋轉。觀測到的數據在全球不同的地區高度一致，說明是全球性的行為(wei) ，這對於(yu) 如此複雜的地球介質來說是驚人的，也有力地支持了內(nei) 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(nei) 核的差速旋轉也曾出現從(cong) 自東(dong) 向西變成自西向東(dong) 的反向現象。據此可知，內(nei) 核的差速旋轉就像是“蕩秋千”，目前觀測到的內(nei) 核在70年代初和2009年附近的兩(liang) 次反向，分別對應“蕩秋千”時在前方和後方的兩(liang) 個(ge) 最高點。根據這個(ge) 規律，預計下一次反向將出現在本世紀40年代初，與(yu) 目前的觀測組成一個(ge) 完整的振蕩周期，周期長度約為(wei) 60年~70年。

　　此次研究發現的60年~70年振蕩周期，恰好與(yu) 磁場、日長和氣候等現象變化的周期吻合，在相位上也有一定對應關(guan) 係，這對於(yu) 印證地球從(cong) 內(nei) 核到地表的耦合關(guan) 係有重要意義(yi) 。根據這項研究，在全世界範圍內(nei) 首次建立了地表變化與(yu) 地心變化相聯係的觀測證據，這對於(yu) 我們(men) 理解地球深部動力學過程以及地球係統的運行機製提供了全新的約束。

　　內(nei) 核差速旋轉在變化，但公眾(zhong) 無需焦慮

　　理解地球內(nei) 部的運作規律很重要，但不會(hui) 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(ge) 場麵：地核由於(yu) 未知原因停止了轉動，導致磁場消失，世界各地接連出現人員暴亡、大橋斷裂、雷擊密集等奇怪現象，仿佛世界末日就要到來。這項關(guan) 於(yu) 內(nei) 核旋轉模式變化的成果發表之後，許多人開始擔心災難是否就要降臨(lin) 。

　　事實上，我們(men) 大可不必為(wei) 此而擔憂。關(guan) 於(yu) 此次對內(nei) 核旋轉模式變化的發現，我們(men) 需要明確的是，內(nei) 核差速旋轉的停止，並不意味著內(nei) 核不再隨著地球旋轉，而是說內(nei) 核與(yu) 整個(ge) 地球的轉速差異減小了。由於(yu) 各種力的作用，“懸浮”在液態外核中的內(nei) 核時而轉得比地球快，時而轉得比地球慢，但這個(ge) 相對運動對於(yu) 整個(ge) 地球的自轉而言是非常小的。就像一個(ge) 微微顫動的彈簧，內(nei) 核的旋轉速度在一個(ge) 平衡位置周圍微微擺動。這個(ge) 擺動對於(yu) 科學研究有著重要的意義(yi) ，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；但對於(yu) 一個(ge) 具有自我調節能力的地球係統而言，這些變化並不會(hui) 對我們(men) 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(wei) 例，它的頻譜範圍較寬，包含長期趨勢變化、年代際變化、季節變化、亞(ya) 季節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複雜，除與(yu) 地核的耦合作用外，如潮汐、冰川、季風、洋流等都會(hui) 對它造成影響。根據分析，日長變化在68年左右的周期上幅度很大，這與(yu) 內(nei) 核差速旋轉周期有很好的對應，但變化量僅(jin) 在毫秒級別，這甚至比眨一次眼睛所花費的時間還短。相對於(yu) 我們(men) 通常熟悉的24小時，一天的時間變長或變短幾個(ge) 毫秒對於(yu) 日常生活不會(hui) 產(chan) 生任何影響。內(nei) 核差速旋轉變化對磁場造成的影響與(yu) 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(yu) 內(nei) 核旋轉模式變化的周期相對應。但這個(ge) 周期的磁場變化是非常小的，無論從(cong) 時間尺度上還是從(cong) 強度上都不足以解釋或引發磁極的反轉。

　　更為(wei) 有趣的是，在地球的氣候係統中也觀測到了60年~70年周期的變化模式。我們(men) 常認為(wei) ，人類活動造成的溫室氣體(ti) 排放等造成了全球變暖和海平麵上升等氣候問題，但放眼更長的時間尺度，全球的氣候係統也存在著振蕩模式。

　　例如，早在1994年，地理學家施萊辛格和拉曼庫迪就發現了全球平均氣溫存在65年～70年周期的振蕩，並且在2016年有研究提出這個(ge) 周期的變化與(yu) 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，全球海平麵高度的變化存在著64年的周期，與(yu) 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係統的評估，但地球深部的內(nei) 核差速旋轉和外核對流等動力過程很可能對地表氣候係統有一定的貢獻。隻有係統地研究清楚地球深部對地表的影響機製和幅度，才能更好地評估人類活動的影響。

　　總之，我們(men) 不必為(wei) 了聽起來非常遙遠陌生的內(nei) 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(nei) 核隱秘而遙不可及，但它複雜的結構和活躍的運動吸引著一代又一代科研工作者為(wei) 之癡迷。對於(yu) 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(men) 生於(yu) 斯、長於(yu) 斯的星球進行了解和探究，是我們(men) 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(men) 探索世界的奧秘，向未知不斷前進。