地核内核：超离子态？

地球有一个铁质的核，地核的外面是地幔，最外层是薄薄的地壳。科学家们推测，在地球刚刚形成的时候，它可能并没有这种明显的分层结构，后来，最重的铁和一些镍向中心沉降形成了地核，较轻的物质则浮在上面。于是，地球有了明显的分层，形成了地核、地幔和地壳。

地核处在地球的中心，非常灼热，它的外层被认为是熔化的铁和镍。地核中心是固体的铁和镍，大小和月亮差不多，被称为“内核”。

科学家们认为，内核原本也是液态的，随着地球的冷却，地球内部极大的压力使内核以固体的形式存在，直径也渐渐地变大。而外核则是一个温度高达8000℃的铁和镍的海洋。

对地核物质的新认识

半个多世纪以来，人们对地球内部结构的了解都基于以上的认知。但最近，科学家们提出了不同的看法。借助计算机模拟技术，我国科学家对地球核心部位可能具有的物质性质进行了计算模拟。结果显示，地球内核可能并不像以往认为的那样是固态的，而是由固态的铁元素和流动的轻元素组成的超离子态。在这样的形态中，铁元素作为“骨架”而存在，而轻元素则在其间自由地流动。

那么，什么是超离子态？我们常将自然界中的物质分成三种状态，即固态、液态和气态。然而实际上，有些物质具有更加奇怪的特性——它们不属于这三态中的任何一态。超离子态就是这样，它介于固态和液态之间，其中一部分物质像液体一样自由地流动，而另外一部分则是稳定的“骨架”，起着支撑物质结构的作用。

为了研究地核，中国科学院的地球物理学家们模拟了内核在预期的压力和温度下的状态，这就等于重现了地心的极端压力和温度。科学家们想知道，在这种极端环境下，各种可能存在的元素，例如铁、氢、氧和碳，会有怎样的表现。

通常情况下，固体中的原子会排列成有序的网格，它们会牢牢地固定在自己的位置上。然而在模拟的地核中，铁元素转变成了铁原子的框架，而另一些较轻的元素则像液体一样自由地穿越那些固体的晶格。也就是说，在地核极端的环境中，较轻的元素在移动，而铁则保持稳定。

深入地下12千米

探索地球内部的奥秘一直是科学界的重要课题，但我们所居住的地球是一个岩质行星，它的表面被坚硬的地壳覆盖着，人们很难穿透它去直接认知地球内部的世界，因而最初只能靠猜测推断地球内部的状态。例如，人们曾认为地下是一个有着巨大洞穴的世界，或者认为地球的内部有一个核。这些猜测有些离奇，但也存在一定的合理性。

到了近现代，随着钻探技术的进步，科学家们开始希望用钻探的方法进入地球的深处。若能够钻透地壳，直接取到一块地球深处的物质，岂不是最有利于研究的办法吗？

地壳看起来并不厚。20世纪50年代末期，科学家们启动了一项名为“莫霍计划”的工程，他们在太平洋海底实施钻探，想深入地下取到一块地幔的样本，但并没有达到目的。后来，科学家们在俄罗斯西北端的科拉半岛实施钻探，但他们工作了24年也依然没有钻穿地壳，而钻头已经深入到了地下12千米的地方，这个深度非常惊人，但还远远不够钻透地壳，大约只完成了一半的距离。

人们利用钻探技术都无法钻透地壳，那么今天人们对地球内部结构的认识是如何获得的呢？原来，科学家们利用了地震波。

发现内核的历史

地震波是地震发生时穿透地球内部的物理波。由于地震波在不同介质中有不同的传播速度和路径，科学家们就可以利用这些特性来获得地球内部的信息，从而研究地球内部的结构。通过使用这种方法，人们对地壳、地幔和地核有了基本的认识。

地震波中的P波（纵波）和S波（横波）是极不相同的两种波。振动方向与传播方向一致的波为P波，而振动方向与传播方向垂直的波为S波。前者引起上下波动，后者引起水平晃动。并且，它们还有其他方面的不同。例如，S波只能在固体中传播，而P波则能在固体、液体和气体中传播。另外，它们的传播速度也不一样，P波传播得快，S波传播得慢。

科学家们发现，地震波在地球内部传播时，地球的中心缺乏S波，因此他们认为，很可能是这种波在抵达地核时碰到了液态的缘故——因为S波不能在液体中传播，所以存在部分S波缺失。基于这个原因，20世纪以前，多数科学家都认为地核的组成部分是液态的铁。

1929年，一次达里氏7.8级的大地震袭击了新西兰。当时，丹麦地震学家英奇·莱曼在阅读地震仪上记录的数据时注意到了一个新情况。她发现，一束P波偏转了传播的方向，这使她觉得地核并不完全是液态的。1936年，她发表了一篇论文，文中指出，那束异常的P波一定是在铁水中遇到了密度更高的物质，导致它偏转了方向。她认为，在地球液态的外核中还存在一个固态的“内核”。

就这样，地球的固体内核被人们发现了，这个内核是由固体的铁和镍组成的，这是人类探索地核奥秘的重大进步。然而，问题解决了吗？

2021年，一项基于S波穿过地球内部状况的研究表明，地球的内核并不像曾经认为的那样是完全的固体，它好像是由多种状态的“糊状”材料组成的。

是超离子态吗

人们研究发现，在地核中，S波的传播速度比人们预期的要低，这表明地核的内部结构似乎并不是稳定的。随着时间的推移，人们对地核内部元素的分布和组成产生了越来越浓厚的探索兴趣。2022年2月10日，我国科学家在《自然》杂志上发表了他们对地球核心部位可能具有的物质性质进行计算模拟的研究成果，提出了超离子态内核的观点。他们认为，正是地核的超离子态减缓了S波的传播速度，说明铁在内核边界凝固，但轻元素的流动性并没有改变，它们在内核中的流动是通畅的。

内核超离子态的观点提供了一种全新的思路，也引发了全球科学家的广泛关注。我们知道地球存在一个巨大的磁场，这个磁场究竟产生于哪里？它又是如何形成的呢？

一般认为磁场产生于地核，但具体的状态和形成原因却并不明晰。目前，超离子态内核的新观点更新了科学界关于内核状态的传统看法，这迫使人们重新思考地球磁场的存在和形成的原因，也为认识地球内核结构与磁场之间的关系提供了全新的视角。

如今，我们已经知道行星的磁场是非常重要的，因为行星的大气层需要磁场的保护。假若没有磁场，太阳辐射和太阳风就会直接冲击行星的表面，而这种情况在金星上已经发生了——金星上没有磁场，所以金星大气中的水分流失得很厉害，最终使金星变成了一个干旱炎热的星球。由此看来，探索磁场的产生和演化非常重要，而这一切都与地核存在的状态极有关联。

目前，对于地核的研究还需要进一步深入，有关地球内核的超离子态的新观点需要更多证据的支持，所以人类对地核奥秘的探索还将进行下去。