科学家是怎样研究地球内部的（钻个洞比登天都难）

之前在回答地球科学方面的问题时，经常会有读者提出这样的问题：你是怎么知道地球中心有太阳那么高温度的？科学家有下去量过吗？总之是很不相信的样子。

今天我就来跟大家谈谈：科学家是怎么测量地球中心温度的。

地球内部是个炙热的铁核

相信许多到过农村的朋友都见过压水井，它利用杠杆和活塞的原理，可以将清澈甘甜的地下水抽取到地面供人使用。因为工程简单、投资不大，并且井水是免费的，许多农村家庭都会在自家院子里打井取水，有些投资比较大的地方也会有几户人家或者一个村子合资打井共用。

打这样一口井通常不难，只要选的位置合适，找专业打井队往地下钻一个十几米、最多百来米的深孔，基本上就可以达到地下水层了。

压水井

相比之下石油工人钻的井要深得多，他们往往需要往地下钻一个几千米的深孔，投资数千万元才能找到油层。而对于地球物理学家们来说，油田钻探的深度还远远不够，他们需要钻透地壳，尽可能深入地了解地球内部的信息。

前苏联于1970年5月24日开始在科拉半岛实施了一个“超深钻孔”计划，试图钻到地壳1.5万米深处进行地球物理研究，截止到1989年，他们钻了一个直径23厘米、深达12262米的钻孔。这个钻孔随着苏联解体、研究资金枯竭而最后封闭，它作为人类最深钻孔记录保持至今，无人打破。

苏联发行邮票纪念1987年科拉深孔破万米大关

苏联科学家在科拉深孔1.2万米深处测得的温度为180°C，与此前预计的100°C相差甚远，与德国人打的9000米深井测得的260°C高温也不一致，因此这里的温度对于研究更深地层的温度并没有参考意义。

苏联人花了近20年时间和无数金钱钻了个世界最深的孔，但他们只钻到地壳厚度的三分之一就不得不放弃，可想而知要想打穿地壳是何其之难！而相比于整个地球来说，大陆地壳平均40公里的厚度比鸡蛋壳还要薄好几倍，因此人类要想通过打穿地壳和几千公里厚的地幔去度量地心深处的温度，是一件不可能完成的任务。

在3月28日的一篇《百思不解，既然钻孔都这么难，那科学家是怎么知道地球的分层和内核是由什么物质组成？》问答文章中，我详细介绍了地震学家如何通过地震波探测地球内部信息，有兴趣的朋友可以关注我，找到前几天的这篇文章阅读。为避免重复，在这里仅做简要介绍。

医生通过超声波和CT等科学手段来为我们检查身体，获取我们身体内部各脏器的详细图像。地球物理学家和地震学家们合作，利用地震波的P波与S波在地球内部传输速度和波形变化来为地球“检查身体”，再通过计算机画出地球深处的3D图像。下图就是科学家通过在地球A、B点发出地震波，通过设置在其它位置的观测站接收到的地震波形来检测地核与地幔边界情况。

三维地球结构对地震S波形形状的影响

细心的你也许注意到了，上图中的S波是擦着地核过的，那么在地核中就没有S波吗？没有。S波是横向的剪切波，它只能通过固体传播，流体（液体和气体）不支持剪切应力。剪切波不能穿过任何液体介质，所以地球外核中没有S波表明是液态。P波可以在穿过液体后部分转变为S波。

科学家通过P波与S波的比对确定了液体外地核的范围

科学家除了通过地震波确切知道了地球地核的大小、地核由固体的内地核与液体的外地核组成之外，还通过地球磁场的方向及强度确定了我们的地核主要是由铁和镍元素构成的，铁是唯一与地球核心的地震特性紧密匹配的元素。这一点对于确定地球内部的温度很重要。

科学家通过地球的体积与总质量，计算出地球的平均密度为 5.515 克/立方厘米^{。进而通过一系列的测量与计算得出地球内地核的密度为}12.8-13.1克/立方厘米^{、地球液体外地核的密度在}9.9-12.2克/立方厘米之间。在这些数据确定之后，科学家们可以计算出内核与外核之间的压强值约为330GPa（地面标准大气压的326万倍）。 由于金属的相变温度与它所受到的压力存在相关关系，在这个铁由液态过渡到固态的过渡层，科学家们计算出的温度为5376±326℃。

2013年矿物物理实验室的科学家S. Anzellini和他的同事通过将铁镍合金夹在两颗钻石砧座之间施加压力，模拟地球内外地核间330GPa的巨大压强，然后用激光加热合金，他们得出铁镍合金在固态与液态之间的相变温度为5956±226℃，考虑到激光加热实验装置存在误差，实验结果与之前的计算数值相近。

钻石砧座对铁镍合金加压实验原理图

由于外地核的钢铁“海洋”与下地幔的岩石物质都存在复杂的热对流关系，所以对于外地核与地幔边界温度的计算，科学家们有各种不同的看法。一般认为外地核与地幔边界的温度大约在4000℃左右，并且中间存在一个“热边界层”，在这里地核的温度要比相邻地幔的温度高226-1526℃。而位于地球正中心的内地核，其温度有可能高达6800℃。

地球内部热对流示意图

太阳表面光球层的温度是5500℃，由此我们可以看出，地球的地核温度与太阳表面的温度基本相当，有些部分甚至比太阳还热。

科学家们认为，地球从形成开始就在不断地积聚热能，一直到今天，我们的地球内部还在不断地产生热。只不过它不像太阳那样通过核聚变产生热能，而是通过放射性物质的核裂变缓慢地释放热能，这也使得地球不至于冷却得太快。

地球内部温度梯度示意图

地球内部的热能主要来自以下几个部分：

• 45％至90％来自主要位于地幔中元素的放射性衰变；
• 地球在诞生早期，各种物质因吸积作用相互碰撞、挤压和摩擦所产生的热能；
• 地球内部的铁、镍、铜、金等重金属因重力作用不断下沉，在此过程中产生的热能；
• 铁镍元素在内外核边界处发生结晶时所产生的热能；
• 太阳与月球对地球的引力所产生的潮汐作用也会产生少量热能。

放射性元素衰变产生热能

自45亿年前形成之日起，地球内部大量的放射性元素如钾40、铀238、铀235和钍232等就一直在为地球贡献热能，这些元素在它们的放射性衰变中产生大量的能量。在地球形成的早期，钾40和铀235贡献了大部分的热量，由于它们的半衰期短，现在已经很难检测到。但铀238、和钍232依然在散发着热能。

地球自形成至今放射性热能演变趋势

关于地球内部热量演化的历史，我将在以后的文章中详细介绍。

本文通过一些原理和实例介绍了科学家如何利用地震波、磁场和压力实验等方法确定地球核心的温度范围，解释了地球内部巨大的热能从何而来，相信你在读完本文后对这些科学方法会有一些了解。如果你对地球更多的内部秘密感兴趣，欢迎关注我，以后将继续为你解密。