地球上巨大的岩浆海洋，在我们的脚下翻滚，似乎在向地球的液态内核输送氧气，氧气正在塑造我们星球上的地震和火山。这是伦敦大学一个研究机构的物理学家达里奥·阿尔夫于20193月5日在美国物理学会3月会议上提出的结论。虽然不可能直接观察到地核中的氧气（数千英里的热岩阻碍了这一观点）但是阿尔夫和同事们结合了地震数据、化学和关于我们太阳系古代历史的知识，得出了这样的结论。铁核中隐藏着氧气之类物质的主要证据是什么？
博科园-科学科普：在地球表面感受到隆隆声，是整个地球上波浪运动的结果。这些波的行为为我们了解地球上的物质提供了线索——就像整个星球的超声波一样。当地震波从地核反弹回地表时，其形状表明，液态铁外核的密度明显小于其内部受压固态铁内核。这种密度差异影响着地震形状和地表火山的活动，但这不是纯铁应该有的表现。如果地核是纯铁，那么固体内核和液体(外核)的密度对比应该在1.5%左右，但地震学告诉我们，这个比例更接近5%。换句话说，外核密度比它应该的要低，这表明里面有一些非铁元素，使它更轻。
氧气被泵入地球的液体外核，图片：Shutterstock
这就提出了一个问题：为什么较轻的元素会和外核混合而不是固体内核？达里奥·阿尔夫表示：当原子处于液态时，它们可以自由流动，使不同元素的混合物能够共存，即使在地球内部的极端环境中也是如此。但是，由于极端的压力迫使内核变成固态，那里的原子形成了更坚硬的化学键晶格。而这种更严格的结构并不容易容纳外来元素。当固体内核形成时，它会将氧原子和其他杂质喷射到液体环境中，就像牙膏从挤压管中喷出一样。可以在冰山上看到类似的效果：当海洋中的盐水结冰时，它会排出杂质，所以冰山最终变成了漂浮在富含钠的海洋上的大块固体淡水。
没有直接的证据表明液体核心中较轻元素是氧，但是星球是由早期太阳系的尘云形成，知道那里有什么元素。研究小组排除了其他元素，如硅，理论上可能存在于核心，基于云的组成，但没有解释观察到的效果，氧气是最有可能的候选者。此外，从理论上讲，地核中存在的氧气水平似乎低于化学上根据地幔含氧量所预测的水平。这表明，即使在今天，更多的氧气仍可能通过化学方式从其周围富含氧气的地幔泵入外核。当被问及地核内的氧气是什么样子时，阿尔夫表示，不要想象铁与氧气直接结合时会产生气泡，甚至生锈。
相反，在那样的温度和压力下，氧原子会在铁原子之间自由漂浮，形成具有浮力的液态铁块。如果你拿一个含有90个铁原子和10个氧原子的液体包裹，这个包裹的密度将小于一个纯铁包裹。为了帮助证实这些结果，阿尔夫表示：期待着测量在我们星球上形成并向地表辐射的中微子结果。虽然“地球中微子”非常罕见，但当它们出现时，它们可以提供很多关于地球上具体发生了什么的信息。但是，如果没有任何直接进入核心的方法，物理学家们将永远无法从有限的次级数据中对其构成做出最好的判断。
博科园-科学科普｜研究/来自: 伦敦大学
文:Rafi Letzter/Live Science
博科园-传递宇宙科学之美
