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地震学 1936

P′

英厄·莱曼

读懂地震投下的阴影,在地核之内,找到一个内核。

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In depth · the introduction

地震会像被敲响的钟那样,让整颗行星嗡嗡作响——而靠着给回声计时,一位女性,在地核之内找到了一个隐藏的核。

地核之内的核

地震一发生,就把波送进整颗地球。P 波——那种快速的、一推一拉的波——能一路穿透到底,而且,它会随着所经岩石的变化而弯折。到 1920 年代,地震学家已经知道地球有一个致密的地核,约在通往地心的半路上,而且它的外层是液态的:它拒绝传递那种左右摇摆的 S 波。

但有一个谜。液态地核把 P 波折得太狠,以至于留下一道「阴影」——从任何一次地震算起,大约绕地球三分之一到五分之二的那一带,本不该有任何直达 P 波到达。然而微弱的 P 波,却总在阴影里冒出来。1936 年,英厄·莱曼解开了它:那里一定还有第二个、更内的核,波在其中重新加速,被折射着送回阴影。地球的核,是两个嵌套的球,而非一个。

判读格陵兰的地震图

莱曼是一位丹麦地震学家,掌管着丹麦皇家大地测量研究所的地震台站,其中两座在格陵兰。她的工作,是一门耐心的手艺:判读熏烟纸上的曲线,把每一道波的到达,掐算到秒。在反复研读那些被良好记录的大地震时——其中就有 1929 年新西兰默奇森附近的一次大震——她一次次发现:教科书说应当沉寂的地方,却有 P 波到达。

她没有把它们当作干扰打发掉,而是搭起一个能产生它们的最简模型:她设想正中央有一个小核,波在其中走得更快,并用手算出它折射的射线会在何处冒出地表。它们恰好落进阴影。她把这个想法发表在一篇论文里,那是科学史上最短的标题——只有一个字符,「P′」——没几年,内核就成了每一个地球模型的一部分。

它为何重要

莱曼找到了行星大致结构里最后一个大层——也亮出了一种方法。你无法挖到地心;最深的钻孔,连地壳都刚刚划破。但地震波四处游走,又用到达的时刻回报。她的内核证明了:那不可触及的内部,竟有这么多能从这些回报里重建出来——而内核更牵进了一个更深的故事:它缓慢的冻结,帮助驱动着翻腾的外核,而后者生成了护佑地球的磁场。

就像敲响玻璃杯,去摸它的瑕疵

弹一下高脚杯,听:那声响会告诉你杯子的事,而你从不必看进它的内部。现在想象正中央冻着一颗弹珠——声响的节奏会变,一个细心的听者,便能推断出弹珠在那里。莱曼,就是为整颗地球而听的那个人。她从「在本该沉寂处却到达的波」的时刻里,「听」出了一个内核,再循着推理,回溯到那颗送出它们的、隐藏的球。

一幅地球剖面:地幔、液态外核与一个小小的内核,顶部是一处地震。滑块把台站绕地球移动;复选框开关内核。一条射线画向台站,读数说出到达的是什么:地震附近是直达 P 波,103°–143° 的阴影带里什么也没有,绕到地球远端是 PKP,而开启内核后,一束微弱的 PKIKP 被折射进阴影。

它落在何处

莱曼的内核,接力完成了一段「从颤动里读懂深部地球」的发现:理查德·奥尔德姆于 1906 年最先找到地核,本诺·古登堡量出它有多深,哈罗德·杰弗里斯证明它的外层是液态——而莱曼,找到了其中那颗固态的心。它与本馆里其他学人读懂行星的方式并立:从赫顿、莱尔在岩层里,到魏格纳、赫斯在移动的海床里。她找到的那个内核,如今已知会相对世界其余部分略微错步地旋转——一座藏在地球正中央的隐秘时钟。

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