漏气的地球

说起地球结构，在我们常见的了解中，地球结构大致可以像鸡蛋一样分为三层，地壳、地幔和核心。

大致上看这样没问题，不过细分下来，地球的层级结构实际还是比较复杂的。

每一个层级都可以被分为内外层，地壳与最上层的地幔构成岩石圈，壳幔边界是两种不同的物理现象。

首先是地震速度存在不连续性，其次在洋壳中，超镁铁质堆积岩与构造方铅矿之间存在化学不连续性。

地球的常规结构表述

科学家通过古代矿物同位素以及放射性元素的测量，已知最古老的矿物颗粒约为44亿岁。

这也是今天我们常说的地球年龄，而地球究竟从何而来，科学家也仍在寻求问题的答案。

但是近年来的科学研究表明，地球内部的结构比我们想象中要复杂得多，并且还有许多不为人知的活动。

一项新的模型研究表明，地球在大爆炸不久后产生了一种极其罕见的氦气。

而这种氦气如今正在从地球的金属核心中泄露出来。

地球深处的氦-3

氦气是宇宙中存在较多的一类气体，地球内部所泄露出来的则是氦气同位素气体氦-3，科学家将其称之为原始氦气。

或许大多数人并不了解氦气在宇宙中有什么作用，简单来讲，氦气和氦-3会与星系中的其他气体和尘埃粒子相结合。

最终在简单而又猛烈的结合作用下，通过旋转和坍缩作用形成一个恒星星系。

科学家表示，地球核心或许存在大量的氦3储层。这进一步说明氦气在星系早期的形成过程中，对地球的形成起到了帮助作用。

大爆炸理论构建了宇宙

氦-3是氦的一种同位素变体，它的原子核中只有一个中子。

相比其他常见的两个中子结构，氦-3的化学结构决定了它会是一种稀有气体，而且它在地球上的存量只有0.0001%。

它可以是由氚的放射性衰变得来，而氚是又是稀有氢放射性同位素。

所以从宇宙的发展经历来看，大多数氦-3都可能来自大爆炸。

氦气可以帮助宇宙天体形成

额外提及一下关于大爆炸理论，如今天体物理学中的一个重要理论基础就是大爆炸。

科学家可以通过大爆炸残留下来的痕迹来了解宇宙过去发生了什么，爆炸之后带来的便是宇宙膨胀。

原子核形成后的378000年里，充满等离子体的云状结构遍布宇宙，直到它进一步冷却让电子和质子形成中性氢原子。

这个过程中会带来微波辐射，因此科学家可以借助这种辐射来研究宇宙，所谓的宇宙微波背景辐射正是如此。

宇宙微波背景辐射图

地核模型揭示秘密

回到刚才的话题上来，科学家之所以关注了解地球内部泄露出来的氦-3。

主要在于它可以帮助科学家建造一个更准确的物理模型。

另外，这也能帮助我们进一步了解地球的演化。

为了进行调查，国外的研究小组模拟了地球历史时期中最重要的两个氦丰度阶段。

一个是地球的早期形成阶段，这一时期的地球正在积累氦气，包括月球形成后。

早期地球的样貌

研究展示了几个关键点，首先是地幔和核心在形成过程中，这两个结构从太阳星云中获得了千万亿次的氦3。

其次在于，核心是地球上主要的氦-3储存层，氦3从地核处泄露，一直到地幔。

地球的氦-3每年会以2公斤的当量从地球内部逃逸，并主要沿着大洋中脊系统向其他地方蔓延。

在地球的交互模型中，科学家们认为，地球早期的撞击事件导致大部分氦气逸出。

忒伊亚撞击地球

核幔氦-3的交换模型显示，如果撞击物质的质量超过地球质量的5%，星云大气几乎会完全消失。

这意味着当初像忒伊亚那样的小型天体带来的撞击基本可以去除大气中的所有氦气。

如果这种清楚机制由内部沉积的撞击热驱动的帕克风构成，那么它会在撞击后的数百万年里继续从地球的系统中排出氦气。

不过在此期间从内部的损失计量到底有多少还很难估计，因为它主要取决于岩浆海洋如何凝固。

海洋底下的硅酸盐岩浆开始结晶，挥发物不会形成固相，并在残余的液体中富集起来。

原始地球吸积过程中的能量输入

如果岩浆海洋向上凝固，就会像科学家预期想的那样，挥发物会逐渐集中在核心-地幔边界上方。

在岩浆海洋表面附近，富含挥发物的熔体饱和，形成气泡核。

地球内部的实际运动状态

通过这种方式形成的气泡增加了岩浆地块的浮力，从而推动地块更靠近地表。

最终气泡将挥发物释放到大气中，同时湍流的大气风会扰乱岩浆表面，位额外的氦气逃脱提供了局部环境。

简单来讲，逐渐向上活动的岩浆海洋凝固与地表混合相结合，它能从早期的地幔中提取相当一部分的氦3。

能量输入的大气和原始地球内部演化

不过，当时的地球并没有失去所有的氦3，它仍然保留着一部分稀有气体。

只是这些气体还是会慢慢地从地球内部渗出，就像一个漏气的气球。

而核心与地球的其他系统相比，它不会受到太大影响，因为它不参与板块构造循环，这也会导致氦气持续被释放。

多样化的结果

而在相关研究中，科学家还发现地球核心的氦气泄露可以帮助解决地核、地幔之间是否存在物质交换。

铪和金属钨是此次发现的一个突破点。

研究人员从西澳大利地区的深层地幔渗出的地表岩石获得了样本，并且还有俄罗斯科拉超深钻探的数据。

地球深处环境十分复杂恶劣

研究显示岩石中的钨含量表明它们从核心中泄露，地球上最古老的地幔岩石的钨同位素没有任何明显的变化。

这说明地球在43~27亿年前这段时间里，地核到上地幔的物质交换几乎没有。

不过在过去的25亿年里，地幔中的钨同位素又发生了很大变化。

科学家认为这是地幔活动带来的板块俯冲作用，富含氧气的物质通过俯冲作用从地表被带入地幔深处。

实验表明，核心-地幔边界的氧浓度增加会导致钨从核心中分离出来并被带进地幔。

原地幔和原核的3 He 丰度吸积

此外，科学家在建立模型时计算了氦-3在地球中吸气和脱气过程，氦3主要储存在地幔层。

而在下地幔，最有可能的地方则是最新勘探到的大型低剪切速度区。

这两块超大的地形结构似乎在地幔中保留了最原始的样貌，而它们的出现则和忒伊亚的大碰撞有关。

研究中，科学家将现代氦3泄露率与氦同位素行为模型结合显示。

地球核心大约有10太克，数量十分巨大，这表明地球是在高浓度气体环境中的太阳星云中形成的。

气体交换模型在地球形成和演化过程中，内部的交换作用表明金属核心的存在为地球的其他部分提供了氦3。

不过这些结果基于建模，因此结果并不是绝对的。

科学家们表示，里面存在许多其他可能，这些假设以及不确定性，包括太阳星云相对于地球形成速度持续了多长时间等等。

其他结果或许意味着，核心中的氦3可能比计算中的要少。

总的来讲，科学家初步完成了演算，并大致了解了整个过程。

但具体原因究竟是什么，目前还并不清楚。这种泄露未来会对地球造成怎样的影响，仍然不得知。

要明白的是，地球核心的研究并不容易，至少得从2900公里的深度开始。

人类目前的技术手段还达不到通过钻探就能解决问题，更多的是需要确切的样本。

不过地球内部的氦-3存量应该也能维持很长一段时间，继续漏气还不算太糟糕。