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地核发现的故事

已有 4823 次阅读 2012-12-28 10:46 |个人分类:故事|系统分类:科普集锦| 地震学, 地核

在20世纪早期Richard Oldham用地震学方法发现了地核,Beno Gutenberg's 在地震波中确定了核幔边界的地震波不连续。这两个地震学家却在地核是固态的还是液态的这个问题上产生了分歧。而这个分歧源于S波的消失。
在波的传播中,传递介质的的刚性程度是非常重要的物理性质。S波,又称为横波或剪切波, 是由在介质中垂直于前进方向的振动进行传播的。如果传播介质的刚性的程度产生的弹性回弹不足以使得横波进行延续的,S波就无法传播下去。P波是由压缩而产生的,并且能够在刚性较弱的介质中能够更快的传播。S波能够在固体中传播,而只有P波能够在固体、液体和气体中传播。
       Oldham开始认为地核是比地幔密度更大的固体,以解释P波的明显变慢的现象,但随着地震学家们研究的深入,发现他们原本以为没有辨识出的S波其实根本就不存在。
       俄国地震学家Leonid Leybenzon(1879-1951)在1911年第一次提出了地核是液态的或至少其刚性不足以支持S波的传播。Oldham在1913年也独立的得出了这样的结论,随后其他学者也开始支持这一假设,德国地球物理学家Emil Wiechert(1861-1928)在1924年也承认古登堡界面的地震波不连续是由于地核是液态造成的。Wiechert在20世纪初时最先提出来地球的内部是由一个固态的铁核以及岩石的地幔构成的,并在哥廷根大学将这一想法教给他当时的学生Gutenberg。
        Gutenberg一直不认为S波的缺失意味着地核是液态的。另外一些持这种想法的学者认为或许S波的缺失是因为在一些记录中体现出的没有S波经过地核。Gutenberg用德文发表了六种确定地球刚性方法的综述。其中包括使用:海洋潮汐、太阳月球对地球的引力吸引、地球自身随地形变化的重力变化以及地球自转轴的小范围的旋转摆动来确定。Gutenberg都得到了地球应该是刚性强度较高的结论。他甚至还引用了瑞士数学家Ernst Meissner计算出的需要维持地球结构稳定所需要的最小刚性需求的计算结果。S波缺失成为他理论中唯一的问题,而他认为这可能是核幔边界上的什么造成的结果,而不是由于地核是液态的造成的。1926年英国数学家地球物理学家Harold Jeffreys(1891-1989)的一篇报道改变了Gutenberg的想法。
       在Jefferys的文章“地核的刚性强度”中,他说明了Gutenberg提出的各种效应可以在地核的刚性强度并不高的情况下发生。他还对比了整个地球的刚性强度和由地震结果得出的地幔的刚性强度。Jefferys发现整个地球的刚性强度反而比地幔的刚性强度小,所以就必须存在一个刚性强度较低的部分来平衡这部分的差值。地球物理学家们开始认为困扰他们的地球内部结构的主要问题已经解决了,就如同在地图上所有的大陆都已经标注出来了一样。剩下的就是不断地根据不同地区的特征仔细的完善地球内部结构的地图了。而他们没有意识到其中一个具体的细节十分关键,并导致了他们发现地球的内核。
       1929年6月17日上午10:17,新西兰发生了一次强烈的地震,震中就在新西兰南岛西北的Murchison小镇的附近。在地球的另一端,欧洲的地震仪开始记录到这次地震产生的地震波,这次地震中地震波的P波在当地时间6月16日晚上11:17到达了哥本哈根。这次地震的地震记录引起了丹麦地震学家Inge Lehmann(1888-1993)的好奇。Lehmann分析了包括她自己在哥本哈根的地震仪在内的全球各地的地震仪对这次地震的记录,她在其中发现了一些微妙的变化。“我倾向于阅读由地震仪获得的直接记录,虽然这意味着很大的工作量,但发表的数据并不总是让我满意,特别是当记录比较复杂的情况。”她在1987年回忆她的工作时写道。
       在Lehmann分析了欧洲对这次新西兰地震的记录之后,她发现有两束P波应该经过地核后发生偏转的,但却在与震中位置相对应的地震台中被记录到了。在20世纪30年代,确定地震波的传播时间还是一个非常困难的问题,许多地震学家一直在致力于解决这个问题。他们会经常将地震波记录沿纵坐标并排画在一起,横坐标是到震中的距离。用曲线将每束波连起来就得到了速度或者传播时间。1930年Lehmann发表了他不平常的发现,两束P波穿透了地球内部,但是她还在思索这两束P波中还带有什么信息。“射线在从地幔进入地核由于速度降低被弯曲。但时间线却出现了两个分支,一支穿过地核回到地表,另一支却像只是接触了一下地核而已,而这支并没有在Gutenberg的预测中出现。在这个发现六年之后,她找到里一个原因来解释这束奇怪的P波。在液态的外核内部还有一个固态的内核,是固态的内核改变了P波的方向。1980年,历史学者Stephen Brush写道:“Lehmann提出的存在内地核的假说,迅速的被其他地震学家所接受,而这一假说也成为50年来人类对地球内部认识的重要进步。”


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