2020年的地球不一定是2019年的样子

我们或许都能背出(也许更多人背不出)地球的结构，背不出的人至少也知道地球里面有个“核”。我们对地球结构习以为常，直到2019年，我们的地球是这样子的：

众所周知，目前公认的、出现在课本和科普书中的地球结构就是这样的：

地壳→地幔(上地幔、下地幔)→外核→内核。

但你知道这个结构才确定了多少年吗？仅仅39年。39年，也许你的父辈小时候，地球结构都不是这样的——1981年，在第二十一届国际大地测量与地球物理联合会上，地球物理学家才正式通过了初步参考地球模型(Preliminary Reference Earth Model)，即PREM模型。PREM模型是一维速度模型，即假设速度只随深度发生变化，地球水平方向各向同性。

那么，这个模型是如何被一步步确定的呢？

在很早的时候，人类对地球结构的好奇，源于对地震的好奇。当时的人普遍认为地震由地下的爆炸产生(相当自然的想法)。十九世纪初，以柯西(A. L. Cauthy)、泊松(S. D. Poission)、瑞利(Rayleigh)、斯托克斯(G. H. Stkoes)、胡克(R. Hooks 就是那个发明胡克定律的)为代表的数学或物理学家建立和完善了弹性力学。

 

1822年，法国数学家柯西在一篇论文中建立了弹性力学的基础，提出了固体振动中的体波（compressional波，shear波），为描述固体内部的波动提供了理论基础。而由于这种在固体中的波动，其速度和传播方向都受介质的影响，因而其传播包含固体介质的大量信息，是研究地球结构最根本、最重要的东西。

1846年，长得有点像爱因斯坦的爱尔兰地球物理学家Robert Mallet 向爱尔兰皇家科学院提交了论文《地震动力学》这被认为是现代地震学的理论基础之一，在文中他还创造了地震学一词。越看越像年轻版爱因斯坦。

    1857年，Mallet在研究意大利的一次大地震时，提出地震波由一个地球深部的力点（现在称作震源）产生，并且可以通过将波反传播回去来确定这个点的位置。他提出了使用“观测装置”监测地震的研究方法，并且尝试了用人造地震测量地震波速度。这实际上是提出了地震的最初模型——点源模型，和获取地下速度分布的方法。

但是这个时候地震学家还没有任何地震波数据，所有的分析只是猜测。这一情况在之后被改变——

    1875年斯洛伐尼亚物理学家Flippo Cecchi 建造了能记录地震波到达时间的地震仪。此后科学家不断发明基于各种原理的地震记录仪。其中以James Ewing设计的摆式地震仪最为有名。

地震发生时，挂摆会摆动，带动笔在转动的纸带画下波动的痕迹。

正是由于这些测量仪器的出现，为科学家提供了研究的一手资料，地震学进入大发展时期。

地核的发现

    1906年，英国地质学家Oldham指出，从全球观测数据来看，p波于震中距120度处消失，然后又出现，表明它们在位于地表之下很远的地方被一种岩石折射。在120度处，s波也消失了，这可能是因为s波大角度变化或s波彻底消失。由此他得出结论，地球不是一个均匀密度的球体，内部应该有一个大的地核，将一部分p波反射掉。通过计算P波消失和重新出现的角度，他估计它的半径大约是地球半径的40％。

莫霍面的发现

    1909年，在克罗地亚东南约40公里附近发生的地震引起了克罗地亚地震学家Andrija Mohorovičić的兴趣。他拿到许多欧洲台站的地震记录，并通过仔细分析P波和S波的到达时间，推断出地下深度50公里附近的地震波速存在跃变。这项研究发表在1910年萨格勒布气象研究所的年鉴上。后人将这个波速跳跃界面称为莫霍面,它是地壳和地幔的分界面。

古登堡面的发现

    当时的地震学家会用手头的数据，整理一下从已有的震源到不同地点的接收点花了多长时间，做一个地震走时表。所谓地震走时表，就是每一个接收点和震源的夹角、每一种地震波传播模式都对应一个参考的到达时间。1914年，美国学者Beno Gutenburg参考了大量数据，制作了地震走时表，发现存在一个P波低速、S波消失的区域，其次是发现地下2900km处地震波速发生跃变，纵波速度降低，而横波突然消失。后人将其称为古登堡面,即地核和地幔的边界。

    在此之后科学家们结合进一步的数据认为，地球的中心是由一个液态地核构成的，它被地壳顶部的固体地幔所包围。这样就能解释为什么在地球的另一侧的某些角度没有收到来自大地震的P波：P波会在地核-地幔边界发生折射。

内核的发现——地核竟然有两层？

    在1929年新西兰地震之后，丹麦数学家Inge Lehmann，通过分析世界各地的地震台数据，发现一些微弱的P波出现在现有模型中不可能存在的地方。她推测，只有在地球中心有固体存在的情况下，这种情况才会发生。

    当时，人们只知道地幔包裹着地核——地震波在地幔中以10km/s的速度传播，在地核中以8km/s的速度传播。因此，当波由高速介质进入低速介质地核时，波会在界面发生折射。如下图橙色所示，应该存在一个没有P波的扇形区域。

    但是Inge Lehmann发现，在1929年新西兰的一次大地震中，地震波信号出现在了扇形区域中：

    为此，她制作了一个包含内核的地球模型（如下图所示）。在内核中，信号以8.8km/s的速度传播。这一模型很好地解释了扇形区有地震波的原因——地球的地核有两层：液体外核和固体内核

    值得一提的是，她1936年的这篇引起轰动的论文的标题却很短，它就叫 内核的发现虽然是偶然的，却是基于其多年的观察和总结。为了纪念Lehmann的工作，内核与外核的分界面就叫做“Lehmann面”。

地球内部有多热？

    没有人能直接探索地球内部。目前人类达到的深度极限就是由前苏联科拉超深钻井(Кольская сверхглубокая скважина)创造的12262米。

12262米，好像挺深的了？再看看这张图里地壳的厚度——5~30km(这其实也是估计的)。所以说，如果地球是个鸡蛋，那它连蛋壳都没钻透。

因此，我们平时看到的这张图，并不是直接得到的结果呦~

    因此，并非所有地球物理学家都同意地球核心温度有多高。但是，地震波的传播速度（告诉科学家很多有关构成地球的物质的信息。地震数据还揭示了这些物质是液体还是固体。同时，实验室数据表明地球内部的材料应在什么温度和压力下开始熔化。

    因此，综合测量的地热梯度(世界最深的采矿作业陶托那金矿在3.9公里处，岩面温度达到60°C)、地震波的速度、实验室数据，我们才推算到了这张温度随深度变化的图：

所以说，地球结构真不一定是我们今天知道的样子呢。也许在2020年，将会有新的重大发现~

例如，地幔柱假说仍未被证实——我们到底是不是浮在岩浆上？

参考资料

https://www.lindahall.org/richard-oldham/

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/happy-birthday-inge-lehmann-180955246/

http://mpe.dimacs.rutgers.edu/2014/02/19/how-inge-lehmann-discovered-the-inner-core-of-the-earth/

https://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?term=seismograph

https://brunelleschi.imss.fi.it/itineraries/biography/FilippoCecchi.html