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地震學 1936

P′

英厄·萊曼

讀懂地震投下的陰影,在地核之內,找到一個內核。

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In depth · the introduction

地震會像被敲響的鐘那樣,讓整顆行星嗡嗡作響——而靠著給回聲計時,一位女性,在地核之內找到了一個隱藏的核。

地核之內的核

地震一發生,就把波送進整顆地球。P 波——那種快速的、一推一拉的波——能一路穿透到底,而且,它會隨著所經岩石的變化而彎折。到 1920 年代,地震學家已經知道地球有一個緻密的地核,約在通往地心的半路上,而且它的外層是液態的:它拒絕傳遞那種左右搖擺的 S 波。

但有一個謎。液態地核把 P 波折得太狠,以至於留下一道「陰影」——從任何一次地震算起,大約繞地球三分之一到五分之二的那一帶,本不該有任何直達 P 波到達。然而微弱的 P 波,卻總在陰影裡冒出來。1936 年,英厄·萊曼解開了它:那裡一定還有第二個、更內的核,波在其中重新加速,被折射著送回陰影。地球的核,是兩個嵌套的球,而非一個。

判讀格陵蘭的地震圖

萊曼是一位丹麥地震學家,掌管著丹麥皇家大地測量研究所的地震臺站,其中兩座在格陵蘭。她的工作,是一門耐心的手藝:判讀燻煙紙上的曲線,把每一道波的到達,掐算到秒。在反覆研讀那些被良好記錄的大地震時——其中就有 1929 年紐西蘭默奇森附近的一次大震——她一次次發現:教科書說應當沉寂的地方,卻有 P 波到達。

她沒有把它們當作干擾打發掉,而是搭起一個能產生它們的最簡模型:她設想正中央有一個小核,波在其中走得更快,並用手算出它折射的射線會在何處冒出地表。它們恰好落進陰影。她把這個想法發表在一篇論文裡,那是科學史上最短的標題——只有一個字符,「P′」——沒幾年,內核就成了每一個地球模型的一部分。

它為何重要

萊曼找到了行星大致結構裡最後一個大層——也亮出了一種方法。你無法挖到地心;最深的鑽孔,連地殼都剛剛劃破。但地震波四處遊走,又用到達的時刻回報。她的內核證明了:那不可觸及的內部,竟有這麼多能從這些回報裡重建出來——而內核更牽進了一個更深的故事:它緩慢的凍結,幫助驅動著翻騰的外核,而後者生成了護佑地球的磁場。

就像敲響玻璃杯,去摸它的瑕疵

彈一下高腳杯,聽:那聲響會告訴你杯子的事,而你從不必看進它的內部。現在想像正中央凍著一顆彈珠——聲響的節奏會變,一個細心的聽者,便能推斷出彈珠在那裡。萊曼,就是為整顆地球而聽的那個人。她從「在本該沉寂處卻到達的波」的時刻裡,「聽」出了一個內核,再循著推理,回溯到那顆送出它們的、隱藏的球。

一幅地球剖面:地函、液態外核與一個小小的內核,頂部是一處地震。滑桿把臺站繞地球移動;核取方塊開關內核。一條射線畫向臺站,讀數說出到達的是什麼:地震附近是直達 P 波,103°–143° 的陰影帶裡什麼也沒有,繞到地球遠端是 PKP,而開啟內核後,一束微弱的 PKIKP 被折射進陰影。

它落在何處

萊曼的內核,接力完成了一段「從顫動裡讀懂深部地球」的發現:理查德·奧爾德姆於 1906 年最先找到地核,賓諾·古登堡量出它有多深,哈羅德·傑弗里斯證明它的外層是液態——而萊曼,找到了其中那顆固態的心。它與本館裡其他學人讀懂行星的方式並立:從赫頓、萊爾在岩層裡,到韋格納、赫斯在移動的海床裡。她找到的那個內核,如今已知會相對世界其餘部分略微錯步地旋轉——一座藏在地球正中央的隱祕時鐘。

The original document
Original source text
Inge Lehmann · “P′” · Publications du Bureau Central Séismologique International, Série A, Travaux Scientifiques, 14: 87–115 · 1936
A title of one character
Lehmann's paper carries the shortest title in the literature of science: P′ ("P-prime"), the seismologist's name for P waves that have travelled through the Earth's core. The paper asks what those waves reveal about the core's interior.
The puzzle: P waves in the shadow
A liquid core bends P waves so sharply that direct P fades out near 103° from an earthquake and does not reappear until about 143°; the band between is the core's shadow zone. Yet seismograms — including those of the large 1929 Buller (Murchison) earthquake in New Zealand — recorded faint but real P arrivals inside that shadow.
The model: a core within the core
We take it that, as before, the earth consists of a core and a mantle, but that inside the core there is an inner core in which the velocity is larger than the outer one.
Adopting a deliberately simple Earth — constant velocities, so that rays are straight lines and travel times follow from elementary trigonometry — Lehmann showed that such an inner core refracts a branch of P outward into the shadow zone, matching the anomalous arrivals. She estimated the inner core's radius at roughly 1400 km; the modern value is about 1221 km.
[ … ]
Lehmann claimed a discontinuity in velocity, not a change of state; the inner core's solidity was established only later. The full paper, with its travel-time curves and station data, is at the source below.
Geodetical Institute · Copenhagen · 1936