地球年龄|46亿岁的地球，有一颗年轻的“心”( 二 )
△（图片来源：自制）
为了解决这个难题 ， 科学家们想到 ， 可以模拟地核的冷却 。 我们已经清楚地核绝大部分是（超过 80%）由铁组成 ， 同时还有部分（约占地核质量的 5%）镍 ， 其余的是比铁轻的元素 ， 比如氢 ， 氧 ， 碳 ， 硅或硫 。 因此 ， 如果我们研究出了铁的性质 ， 也就相当于知道了地核的性质 ， 便能推断出地核的年龄 。 对于研究地核来说 ， 最重要的性质就是铁的热导率（传递热量的效率） ， 它是确定地核许多属性的关键 。
△地核中的化学浮力（图片来源：参考文献1）
研究人员通过高温高压实验 ， 在实验室条件下重现地核温度压力条件（压力约170 GPa ， 温度约3000 K） ， 测得了铁的电阻率 ， 进而计算出铁的热导率 。 在考虑了其他物质成分对铁的热导性的影响情况下 ， 研究人员利用铁的热导率对地球内核的年龄做出更精确的估算 ， 实验估算表明地球内核大约是在10～13亿年前形成的 。
△地核的热传导模式和能量平衡模型（图片来源：参考文献3）
同时 ， 该研究也表明“地球发电机”（科学家认为磁场是通过地核中熔融的铁合金对流而产生的 ， 称为地球发电机）是由两种不同的能量来源和机制维持的 ， 即热对流和成分对流 。 有学者认为 ， 在更早的时候 ， 内核更小甚至不存在 ， 因此成分对流要弱得多 ， 热对流将在驱动早期地球发电机中起关键作用 。 也有学者认为 ， 早期地核的另一种能量源自化学分化 ， 如镁或氧的出溶 ， 这也是早期地球发电机的驱动力 。
这次研究的结果更偏向于第二种模式：由于在地核形成期间 ， 地核的温度足够高 ， 所以镁或氧进入地核以铁合金的形式存在 。 随着地核的冷却 ， 它们变得过饱和 ， 并在核幔边界（CMB）处以镁-硅-氧矿物（Mg-Si-O）的形式沉淀 。 这个过程可以在内核形成之前有效地提供成分对流 ， 这将与热对流结合共同驱动早期的发电机 。
△地球发电机机制的图示（图片来源：Wikipedia）
地球是我们独一无二的家园 ， 只有更清楚地认识她 ， 才能更好地保护她 。 对地球内核年龄的测定 ， 让我们对地球内部的结构有了更进一步的认识 ， 也为地球磁场起源 ， 地球内核的物理、化学变化有了更多的了解 。 而要想更加清晰地了解地球 ， 还有很长的路要走 ， 需要一代又一代科研人员继续努力 ， 探索更多关于地球的奥秘 。
参考文献：
1、10000 个科学难题·地球科学卷 “10000 个科学难题”地球科学编委会. 北京: 科学出版社 ， 2010
2、C. Patterson. Age of meteorites and the Earth, Geochim. Cosmochim. Acta, 10 (1956), pp. 230-237
3、Youjun Zhang et al., Reconciliation of Experiments and Theory on Transport Properties of Iron and the Geodynamo. Phys. Rev. Lett. 125, 078501 – Published 13 August 2020
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