地球内核在“摇头”还是“长痘痘”？

关于地球内核究竟是整体差异旋转，还是其边界存在局部动态变化，学界长期存在争议。据笔者初浅的认知，北京大学宋晓东教授团队支持“内核差异旋转”假说（即内核相对于地幔发生缓慢转动，形象地称为“摇头”），该观点最早由 Song 与 Richards 于1996年在《Nature》上提出；而纽约州立大学石溪分校的温联星教授团队则主张内核边界存在局部起伏或结构变化（形象地称为“长痘痘”），这一观点最早由 Wen 于2006年发表于《Science》。

幸运的是，在2025年的AGU年会上，笔者有幸与北京大学的Kaixin Wu博士和中国科学技术大学的Xin Zhang博士深入交流。她们分别代表“内核差异旋转”与“内核边界局部变化”的观点。通过与两位博士的详细讨论，笔者深切感受到：在当前观测数据仍较为有限的情况下，两种观点各自都能构建出逻辑自洽的解释框架，也都能令人信服。那么，究竟哪一种模型更接近真实？这一问题或许亟需引入第三方的独立证据加以检验与甄别。在此，谨向两位博士致以诚挚谢意，感谢她们耐心细致的讲解，使我对这一前沿科学问题有了初步的理解。

鉴于该问题颇有趣味，笔者在返回北京后查阅了数篇相关文献，并撰成此小文。需要事先说明的是，笔者并非该领域的专业人士，文中所述难免存在疏漏与谬误，挂一漏万之处在所难免，恳请各位读者不吝批评指正。

0 那么，为什么要研究地球内核？

地球内核虽深埋地下5000公里，却关乎生命存续。约5.65亿年前，地球磁场一度衰减至现今的10%，濒临崩溃；但随后迅速恢复，恰与“寒武纪大爆发”同步。科学家认为，这得益于固态内核的形成——它从液态外核中结晶，驱动金属流动，重振磁场，为生命重建保护屏障。罗切斯特大学John Tarduno指出：“内核在关键进化时刻再生了地球磁场。”而内核为何在此时诞生、如何演化，仍是重大谜题。澳大利亚国立大学Hrvoje Tkalcic称其为“行星中的行星”，拥有自身结构、地形甚至自转。探索内核，不仅揭示地球深部动力学，更关乎磁场起源与生命演化的根本联系。

1 地球内核探测先驱

谈到地球内核的探测，不得不提丹麦地球物理学家英格·莱曼（Inge Lehmann）。

她于1936年发表了一篇标题仅有一个词的经典论文——《P′》（读作“P prime”），其中“P′”指代一类异常反射的P波，由此揭示了地球内核的存在。

早在20世纪初，科学家已通过“地震阴影区”确认地核的存在：S波在地核区域完全消失，表明外核为液态；而P波则发生折射。然而，莱曼在1930年代初注意到，某些P波竟出现在本应无P波到达的影区内。

她敏锐地意识到，这些异常信号只能由一个致密、固态的内核对P波的反射或折射来解释。据此，她提出地球中心存在一个固态内核，后被测定直径约2440公里——这颗深藏于液态外核之中的“行星中的行星”，由此揭开地球深部结构的新篇章。

2 发电机模型

1995年，加里·A·格拉茨迈尔（Gary A. Glatzmaier）与保罗·H·罗伯茨（Paul H. Roberts）在《Nature》上发表了一项重要成果：他们构建了一个三维、自洽的地磁发电机数值模型。该模型模拟揭示地球内核可能存在差异旋转现象——其旋转速率比地幔和地壳略快，角速度差可达每秒几纳弧度，并在约500年的时间尺度上发生变化。

宋晓东博士当年可能正是受此启发，开启了研究地球内核差异旋转之路。换言之，宋晓东博士当年研究地球内核是否存在差异旋转，或许是希望验证或反驳地球动力学发电机模型所预测的结果。

3 内核超速旋转模型

南桑威奇群岛位于南大西洋偏远海域，地处南美板块俯冲带，地震频发。其独特的地理位置使从该地发出的地震波可近乎笔直穿过地球内核，抵达阿拉斯加的地震台站，为探测内核提供了理想路径。

1996年，哥伦比亚大学地震学家宋晓东与保罗·理查兹利用这一几何优势，系统分析了数十年间数十次南桑威奇地震的P波走时数据。他们发现：穿过外地核和地幔的波走时稳定，但穿越内核的P波却逐年略微加快。

注：所谓“走时”，是指地震波沿某一路径传播所需的时间。上述这段话用大白话来说就是：即使路径相同，不同年份的P波穿越地球内核所用的时间却不尽相同。

上图展示了来自几乎完全相同位置、相隔约15年发生的两次地震的PKP波形叠加图。BC和AB之间的时间差几乎完全相同，证实了这两次事件的位置确实非常接近。然而，1982年记录的DF信号相对于BC的到时，比1967年记录的DF信号早了约0.4秒。

他们提出，内核并非与地幔同步旋转，而是以略快的速度“超速旋转”——每年比地表快约1度，导致地震波路径逐渐对齐内核中一个高速南北向结构，从而缩短走时。1996年，他们在《自然》发表论文，推断内核每400年相对于地表多转一圈，首次为“内核差异旋转”提供了观测证据。

该模型很好地解释了三维地磁发电机模拟所预测的内核可能存在相对于地球整体自转更快的差速旋转现象，似乎为这一科学问题画上了一个句号。

4 内核边界局部变化模型

然而，十年后，温联星博士在《Science》上发表论文指出，所观测到的走时变化可能源于地球内核边界（ICB）存在局部且快速的动态变化。他巧妙利用1993年与2003年发生在南桑威奇群岛的一对“地震波形双胞胎”事件——即震源机制和波形高度相似的两次地震——通过高精度对比其在俄罗斯和吉尔吉斯斯坦三个地震台站记录的PKiKP波（即在内核边界反射的P波）走时，发现2003年事件的PKiKP波比1993年提前了39至70毫秒。

在精确校正两次事件的相对位置与发震时刻后，这一走时差异被确认为真实的时间变化，而非定位误差。研究据此推断：在1993至2003年间，非洲中部下方的内核半径局部增加了约0.98至1.75公里。这一发现挑战了内核缓慢、均匀生长的传统观点，表明其边界具有动态、不规则的地形，且生长过程可能在局部区域快速发生。

关于地球内核的动态行为，目前尚无定论：一种主流观点认为内核整体相对于地幔存在差异旋转；另一种则主张所观测到的信号源于内核边界（ICB）局部且快速的半径变化。此外，还有研究提出这两种机制可能共存；更有学者推测内核可能处于振荡状态——即在某一阶段超速旋转，随后又减速甚至反向回转，呈现出周期性摆动，且不同阶段的旋转速率可能存在显著差异。这一系列模型凸显了地球内核动力学过程的复杂性，亟需引入独立的第三方证据，以甄别和约束更具物理合理性的模型。

同时，对这一问题的研究也彰显了地震学的独特威力——在温度与压力都极端异常的地核深处，或许唯有借助地震波，才能“聆听”地球最深部的脉动。这，或许正是地震学研究的魅力所在。

如此重大的发现，竟源于微弱的P波到时差异，正所谓“于细微处见真章”。

God Is in the Details！

参考资料

Glatzmaiers, G. A., & Roberts, P. H. (1995). A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal.Nature,377(6546), 203-209.

Song, X., & Richards, P. G. (1996). Seismological evidence for differential rotation of the Earth's inner core.Nature,382(6588), 221-224.

Voosen, P. (2022). The planet inside.Science,376(6588), 18-22.

Wang, W., Vidale, J. E., Pang, G., Koper, K. D., & Wang, R. (2024). Inner core backtracking by seismic waveform change reversals.Nature,631(8020), 340-343.

Wen, L. (2006). Localized temporal change of the Earth's inner core boundary.Science,314(5801), 967-970.

Yang, Y., & Song, X. (2023). Rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt.NATURE GEOSCIENCE,16(2), 113-114.

https://www.lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/inge-lehmann/

https://www.ldeo.columbia.edu/~richards/Jefflec.html