23年2月3日/【知识更新】

玄妙梦幻

地球内核重大发现：专访北大宋晓东教授

北京日报

2023/02/02 10:01 北京市

已关注

X
北京大学微信公众号 | 作者 钟润文

地球内核的自转与地表并不同步。北京大学地球与空间科学学院宋晓东教授团队的最新研究发现，地球内核从1970代初起相对于地表超速旋转，到2009年左右基本与地表同步，进而出现了缓慢的反转比地表旋转速度慢。相关成果于近日发表于Nature Geoscience（自然·地球科学）上，并推测出地球内核差速旋转可能存在70年左右的摆动周期。这一研究将对地球深部的动力学过程和地核地幔的耦合机制提供全新的约束，有助于我们理解地球深部圈层的运行机制。


从地表到内核的耦合共振系统示意图。其中包括内核（差速旋转）、外核（磁场变化）、地幔地壳（日长变化）、地表和大气（全球平均海平面和气温变化）等多个圈层（和对应的地球物理观测）‍

地球内核的反转与周期震荡

宋晓东教授来自北京大学地球与空间科学学院，他和特聘副研究员杨翼博士最新的研究结果揭示了地球内核近七十年来的差速旋转模式的变化。该成果于2023年1月23日正式发表在Nature Geoscience（自然·地球科学）上，研究论文题为Multidecadal variation of the Earth’s inner-core rotation，同刊发表的研究简文题为Differential rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt. 两篇文章的第一作者为杨翼博士，通讯作者为宋晓东教授。


宋晓东教授团队通过对大量数据的收集和精确分析得出：地球内核的差速旋转约在2009年接近停止并在此之后开始缓慢地反向旋转，类似的转向现象在上世纪70年代初期曾有出现，意味着内核的旋转很可能存在周期为六七十年左右的震荡模式。

把地球作为一个系统来看，地球内核差速旋转变化可能会在长周期上（几十年周期）对地球的磁场、自转、气候等方面产生影响。目前，人类对地球内部结构之间的相互联系还尚不清楚。宋晓东教授团队的这项研究，是全世界首次将地球地表变化与地心变化相联系的关键工作。研究结果将对地球深部的动力学过程和地核地幔的耦合机制提供全新的约束，有助于我们理解地球深部圈层的运行机制。

用地震波给地球“把脉”

为了弄清楚地球内部构造的运动规律，宋晓东教授团队采用了“重复地震”的研究方法，即通过观察对比同一台站记录到的发生在同一地点的不同时间的多次地震的地震波，对地球内部进行分析。宋晓东教授团队观测到，有些通过地球内核的地震波的波形和传播时间发生系统性的变化，由此推测出地球内核的变化。这与人们更熟悉的大气扰动造成星星闪烁的现象是类似的。


重复地震的内核信号随时间变化示例图。在1998年到2004年间，地震波的波形存在明显的变化，而在2009到2017年间，并未观测到波形的变化。不经过内核的波形一直保持不变（图b中的BC震相）‍

地震为何能帮助我们了解地球内部呢？因为地震波可以通过地球内部传播，而地球内部的不同结构会对地震波的传播造成不同的影响，因此，地震就像一盏灯，让地球内部的结构和过程可以被观测到。

宋晓东教授在攻读博士学位时，就开始应用对地震波的分析来研究地球的内部结构。1996年，正在从事博士后研究工作的宋晓东对同一区域的地震传递到地表同一台站的地震波进行了观测分析。这些地震波，有一些是从震源经过了内核后传播到台站，另一些则没有通过内核。宋晓东发现，那些穿透内核的地震波的走时随发震时间发生系统变化。这一现象可以被解释为地球外核产生的磁场对内核施加的电磁力矩驱动内核超速旋转所致。这项发现在顶尖科学杂志Nature上作为封面文章发表，被Science杂志评为当年十大科学突破之一，并被美国Discover杂志评为二十世纪最重要的发现之一。


1996年《自然》杂志的封面文章，宋晓东和Paul Richards首次观测到地球内核差速旋转的证据‍

不过，彼时的方法仍有较大局限。由于是观察单次地震，地震波随时间变化的真实性、地震波变化的原因、数据和证据的可靠性等等都有待进一步验证。一直有相关的科研工作者认为这一成果中观测到的地震波变化并非是由地球内核的旋转导致，而是地震震源随时间的系统变化等外在原因所致。2005年，宋晓东教授和合作者采用“重复地震”的方法，证实了穿过内核的地震波的时变性，有力地支持了内核差速旋转这一发现。相关成果发表于Science杂志，结束了一场为期9年的争论，被美国Discover杂志评为当年最重要的100个科学发现之一。

如今，研究团队在此基础上尽可能地寻找更多更大范围的数据。宋晓东教授介绍，这次发表的成果中用到的数据所覆盖的时间也是目前世界所有研究中最长的：“咱们喜欢说厚积薄发，这次的成果确实是这样的。相比之下，1996年的发现更像是灵感与偶然。”

科学追求、深耕不辍

谈及这项成果对我们当下的生活有何意义，宋晓东教授坦率地表示它距离我们的日常生活还很远。地球科学博大精深，地球内核隐秘而遥不可及，其影响更无从谈起，这也是人们希望理解深地科学的重要原因。不过对科学的好奇和执着一直驱使着宋晓东教授在地球科学的领域深耕不辍。宋晓东教授认为，基础科学与应用科学的研究各有各的地位而又相互关联。比如对地球深部的研究，虽然没有立竿见影的应用价值，但却可以满足人类探索未知世界的好奇心，是人类最基本知识的积累和培养新一代科学家和科学公民的重要部分。另一方面，从长时间的地质演化到瞬间的地质事件（如地震和火山爆发），地球深部动力学都与地表环境和资源紧密相连，因而对地球深部的研究也将为相应的应用科学提供支持。

“对于知识的追求是具有高等智慧的人类的基本需求。对这颗我们生于斯、长于斯的星球进行了解和探究，是我们需要做的一件基本的事，也是探索类地星球的基础。”

宋晓东教授从事地球内核研究已经有30多年，1994年在美国加州理工学院获得博士学位，1999年成为美国伊利诺伊大学教授，并从90年代末开始，就与我国多个科研院所和高校开展合作。宋晓东教授探索地球内部奥秘的脚步一直没有停歇。除却前文提到的成果之外，宋晓东教授及合作者多年来陆续在顶尖学术期刊上发表一系列关于地球内核的原创科研成果，孜孜以求于不断为人类探索地球深部的真实奥秘。

1998年，宋晓东教授在Science上发表论文，提出了地球内核呈层状分布的理论，说明内核的结构极其复杂。2015年宋晓东教授南京大学团队利用大地震尾波自相关技术发现地球内核中存在内内核，其各向异性对称轴和形态与外内核不同，该研究成果在Nature Geoscience上发表。此工作被中科院科学发展报告选为“2015年中国科学代表性成果”之一；被大英百科全书选为代表性工作Year in Review 2015。这一成果是人类认识地球内核之心独特性质的开创性成果。2022年国际著名期刊Science发表“科学家们正在探索内核的秘密——并了解它如何拯救地球上的生命”为题的特写新闻报道，专访了宋晓东教授，以较大篇幅重点阐述了宋教授多年以来、以及与杨翼博士后最新的相关研究工作。

作为全球著名的地球物理学家，宋晓东教授不仅推动了地核研究的发展，更是地球内核诸多突破的开拓者。当祖国需要尖端人才时，宋晓东教授毅然放弃了美国终身教授职位，于2020年全职回到祖国，出任北京大学地球与空间科学学院讲席教授，积极参与祖国地球物理学科的建设和发展。宋晓东教授希望能够在北大做出有世界影响性的研究成果，希望能够培养出高水平的科研人才：‍‍‍‍

“我的成长，一路上受到了很多前辈和老师的指导和提携；我也希望能够对年轻人有所帮助，让他们成才，不是说找一个好的工作（那是一个水到渠成的过程），而是说要成为领导世界潮流的顶尖人才。”


宋晓东教授北大团队合照（2022年）

来到北大后，宋晓东教授很快地建立了自己的团队，吸引了不少非常优秀的学生和博士后。团队成员之间积极交流，形成了活跃的学术讨论氛围。同时，看重学科融合的北大也给予了宋晓东教授团队广阔自由的交叉空间，比如来自地球物理、地质、人工智能等专业的老师以及中国地质科学院、中国科学院、中国地震局等相关院所和高校的同事，和他们的交流思考，也促进了这项工作的推进和完成。

本次地球内核旋转变化的研究成果发表之后，受到了国内外媒体的广泛关注，包括自然资源部动态新闻、中国科技网、今日头条、网易新闻、《科技日报》《参考消息》《南华早报》；新加坡的《联合早报》；英国的BBC、《自然》《每日电讯报》；美国的CNN、《纽约时报》《华盛顿邮报》《华尔街日报》《科学美国人》；日本的《日本时报》；俄罗斯全国广播电视；澳大利亚的《澳大利亚人报》；印度的《印度快报》；以及德国、西班牙等国际主流媒体。

宋晓东教授团队，坚守着基础学科的阵地，埋首书海与实验却思接千里，或仰望亿万光年的太空，或深入不为人知的地心。探求世界的未知和奥秘正是这样一份好奇和坚持，汇聚成智慧之光，向未知不断前进。

人物介绍


宋晓东

著名地球物理学家，北京大学讲席教授。主要从事地震学、地球深内部结构和动力学、东亚地区深部结构和区域构造、及地震灾害的研究。中国科学技术大学地球物理学士学位，中国石油勘探开发院研究生，美国加州理工学院地球物理学博士学位（计算机副科）。曾经为美国哥伦比亚大学博士后、副研究员和讲师，美国伊利诺伊大学香槟分校助理教授、终身副教授、终身正教授；南京大学、武汉大学、北京大学国家级访问教授，中国地震局、预测所、地球物理所兼职研究员。 他与合作者的重要研究成果包括地球内核的旋转与变化、分层结构、内内核赤道向各向异性的发现、中国岩石圈成像、及青藏高原南部印度板块岩石结构与地壳变形的联系。已发表论文110余篇，包括以第一或通讯作者在Nature/Science/Nature Geoscience/PNAS发表论文8篇。曾获美国PopularScience杂志的科技奖，国际地球物理和测地学联合会(IUGG)地球深部委员会(SEDI)青年科学家Doornbos奖，首届中国海外杰出青年基金(B类)资助，亚太地球物理学会(AOGS SE)杰出讲座。他曾任美国国际地震研究协会(IRIS)全球地震台网(GSN)常委员会主席，国际中国地球科学促进会(IPACES)主席，曾任或现任Earthquake Science主编和Earth and Planetary Physics、世界地震译丛、地质学报（Geologic Sinica）等副主编。现任中国地震学会地震学专业委员会主任，“特大地震和灾害链预测”重点研发项目负责人，中国地震科学实验场人工智能首席科学家，及多个学术机构学术委员会成员。

玄妙梦幻

神秘的马里亚纳海沟，科学家发现了什么？人类最害怕的东西出现

背包旅行呀

2023/02/03 08:28 江苏省

已关注

X
海洋最深处的马里亚纳海沟到底有多神秘？你了解吗？科学家曾经探测过那里，他们究竟发现了什么令人震惊的生物？今天我们就来讲讲海底最深处的神秘生物。

马里亚纳海沟位于太平洋，处在巴布亚新几内亚和日本的中间，已知最深处有11040.01米，在马里亚纳海沟还有更多未知的海底怪物，我们人类甚至从来没有窥探过海沟的全貌，这样神秘的地方吸引了全世界各行各业的目光。世界上总有那么一些天生爱挑战的人，而位于地球最深处的神秘的马里亚纳海沟对他们有着致命的吸引力。


传闻马里亚纳海沟有许多神奇的现象，那么美丽的风景背后却深藏凶险。马里亚纳海沟里有许多暗影漩涡，波涛汹涌，甚至就连船只都无法靠近，一旦有船只靠近，就会被搅乱航行方向，从而发生船毁人亡的事故。马里亚纳海沟有多深？

当一块铁块从船上掉下来时，要经过一个多小时的坠落才能到达海沟深处。由于在水中深处，温度非常的大，气压力也比海平面低1000倍，可以说没有生物能够承受如此大的水压，压扁和撕碎就是生物来到这里的后果。你可能会觉得这么可怕的地方怎么可能有生物生存呢？


事实上还真的有，能够在这里生存的生物必然是独特和神秘的。早在1960年就有人潜入过这里，美国的两名退役军官曾到达过1万米的海底深处。然而在下潜了近五个小时之后，他们只在海底呆了20分钟就匆匆离开，他们究竟遭遇了怎样可怕的事情？

原来他们在驻地以后在声呐设备上探测到一个巨大的影子，很像神话传说中的三头生物，不仅如此，在他们回到地面上也发现了自己的潜艇受到了破坏，要知道潜艇的厚度可达13英尺厚，也就是大约33厘米，其中还有一根直径大约20厘米的重型电缆被劈成了两半儿。究竟是什么生物可以对潜艇造成这样的伤害呢？这次事件不得而知。时隔36年，也就是1996年，这件事儿才终于被纽约时报报道，人们很难想象一个权威的刊物突然编造这样一个故事，就是为了卖报纸。


后来德国的研究人员也去了马里亚纳海沟，但是他们依然在监视器上看到了一个类似蜥蜴的巨大怪物，出于害怕，他们使用电子枪给潜艇外的区域供电，好在怪物看到光亮之后游开了。究竟是什么样的怪物呢？

这次事件依然不得而知，并且这次的研究员没有破第一次美国两位潜水员的记录。直到2012年，奥斯卡导演詹姆斯·卡梅隆第二次创造了记录，他成功地在海沟下潜了10898米，这次他不仅成功收集了海洋生物和海水样本，还用镜头记录了挑战者深渊的样子。


而后是2019年，美国探险家维克托·维斯科沃潜入马里亚纳海沟海平面以下10927米的深度再次创造了人类潜入最大深度的新纪录，在这里他发现了大量新物种，包括水母、鱼、虾等，还看到了几乎从没人见过的海底景象，但令他意想不到的是，他在海床上发现了糖果纸和塑料袋。对此，维斯科沃十分担忧地说道，人类在地球的破坏已经到了无处不在的地步了，即使在海洋的最深处也能够看到人类丢弃的垃圾。说起来也是讽刺，人类自己都不曾踏足过的区域，人类制造出的垃圾却能够随意肆虐。地球环境需要所有人类共同来维护，看到这样的景象是非常令人失望的。

其实早在上世纪的时候，人类就计划将核废料埋在海底，因为人们认为海沟底部的水处于一种永恒静止的状态，将核废料埋在这里不会扩散到其他地方，但是根据研究表明，即使是在海沟底部，洋流也是非常强劲的，如果将核废料埋在这里，世界各地的海洋都会含有辐射和其他的放射性元素。这也是为什么我们坚持反对日本将核废水排入太平洋的原因之一。


其实直到今天，地球的环境污染已经达到了十分恶劣的程度，人类制造的垃圾非常难以处理，不仅堆砌成了巨大的垃圾填埋场，甚至还向海洋中倾倒塑料垃圾。塑料虽然成本低和可塑性强，但是却存在难以降解的致命缺点，科学家曾经说过，如果要等塑料自然降解，最少要数百年的时间。据统计，自塑料生产以来，人类制造的塑料垃圾至少有95亿吨，这些塑料中，能够回收的只占9%，剩下的要么被埋进了土里，要么被焚烧，要么被倾倒进大海里。

而塑料垃圾被倾倒入海洋后，不仅会伤害海洋中的生态系统，也会影响人类的食物链，由于太阳辐射、化学分解、海浪冲击等自然因素，大塑料碎片逐渐变小，慢慢的发展成更小的塑料颗粒，最终当被分解成小于五毫米的塑料，这被定义为微塑料，微塑料体积小容易被海洋生物吞食，除此之外，人们可以在各种饮料和食品中发现微塑料，包括水和盐，这是一个非常严重的现象，如果不认真对待将是灾难性的，塑料制品会在此通过食物链回到人类身体中，形成恶性循环。


不仅如此，海洋中还形成了很多巨型垃圾带，有人更是将这些垃圾带称为“第八大陆”。最大的一块太平洋垃圾带大约有160万平方公里，它有高达300万吨的塑料，这样的地方生存环境极其恶劣，每年都有很多海洋生物因为误食或者被缠住而丧命，因此，在10984米深的马里亚纳海沟发现塑料是非常可怕的，已经到了一个非常严重的程度。如果人类不注意，后果将是不可想象的。而对塑料袋日益增长的需求导致人们忽视环境问题来解决自己的问题。马里亚纳海沟出现的塑料袋就是对全人类的警告。

玄妙梦幻

太阳系最魔幻的行星，内部有一股神秘力量，没人知道那是什么

新鲜旅行事呀

2023/02/03 08:56 江苏省

+关注

X

哈勃太空望远镜拍摄的木星。NASA/ESA

木星是个风暴的花园。这话一点都不假。木星的大气层变幻莫测，大气层中有大大小小形形色色的风暴，而最著名的莫过于至少已经存在了三百多年的“大红斑“。

但是对于木星上风暴的形成机制，很多人其实知之甚少。人们常常将木星上的种种变幻莫测的大气现象，和地球上的天气作类比。地球上有气旋、反气旋，木星上也有。但是木星上的天气显然和地球不同。最明显的一点是，木星上的大气运动要剧烈得多。

木星上的天气现象背后，可能有和地球截然不同的形成机制。地球上的天气主要受外来影响，这种影响主要来自太阳。地球各部分接收到的太阳热量有差异，导致大气产生对流，进而形成了各种天气现象。而所有这些现象都只发生在地球大气层靠近地表的薄薄一层——也就是对流层中。

但是在木星上，太阳辐射对大气运动的贡献微乎其微。理论上，驱动木星天气的，更多的是来自木星内部的能量。最近三位分别来自哈佛大学和艾伯塔大学的科学家通过计算机模拟，证明木星和土星天气系统的推动力确实主要来自其内部。

三位科学家的模拟显示，木星天气现象的驱动力来自一个随木星转动而对流的球状壳。这个壳靠近木星内核的区域会与木星的外层大气产生互动，形成羽流。

研究人员相信木星（包括土星）上的一些天气现象，可能与这些羽流，以及其他类似的进程有关。著名的大红斑，就有可能与存在于木星内部的某种能够产生反气旋的内部进程有关。