關于地球內核究竟是整體差異旋轉，還是其邊界存在局部動態變化，學界長期存在爭議。據筆者初淺的認知，北京大學宋曉東教授團隊支持“內核差異旋轉”假說（即內核相對于地幔發生緩慢轉動，形象地稱為“搖頭”），該觀點最早由 Song 與 Richards 于1996年在《Nature》上提出；而紐約州立大學石溪分校的溫聯星教授團隊則主張內核邊界存在局部起伏或結構變化（形象地稱為“長痘痘”），這一觀點最早由 Wen 于2006年發表于《Science》。

幸運的是，在2025年的AGU年會上，筆者有幸與北京大學的Kaixin Wu博士和中國科學技術大學的Xin Zhang博士深入交流。她們分別代表“內核差異旋轉”與“內核邊界局部變化”的觀點。通過與兩位博士的詳細討論，筆者深切感受到：在當前觀測數據仍較為有限的情況下，兩種觀點各自都能構建出邏輯自洽的解釋框架，也都能令人信服。那么，究竟哪一種模型更接近真實？這一問題或許亟需引入第三方的獨立證據加以檢驗與甄別。在此，謹向兩位博士致以誠摯謝意，感謝她們耐心細致的講解，使我對這一前沿科學問題有了初步的理解。

鑒于該問題頗有趣味，筆者在返回北京后查閱了數篇相關文獻，并撰成此小文。需要事先說明的是，筆者并非該領域的專業人士，文中所述難免存在疏漏與謬誤，掛一漏萬之處在所難免，懇請各位讀者不吝批評指正。

0 那么，為什么要研究地球內核？

地球內核雖深埋地下5000公里，卻關乎生命存續。約5.65億年前，地球磁場一度衰減至現今的10%，瀕臨崩潰；但隨后迅速恢復，恰與“寒武紀大爆發”同步?？茖W家認為，這得益于固態內核的形成——它從液態外核中結晶，驅動金屬流動，重振磁場，為生命重建保護屏障。羅切斯特大學John Tarduno指出：“內核在關鍵進化時刻再生了地球磁場?！倍鴥群藶楹卧诖藭r誕生、如何演化，仍是重大謎題。澳大利亞國立大學Hrvoje Tkalcic稱其為“行星中的行星”，擁有自身結構、地形甚至自轉。探索內核，不僅揭示地球深部動力學，更關乎磁場起源與生命演化的根本聯系。

1 地球內核探測先驅

談到地球內核的探測，不得不提丹麥地球物理學家英格·萊曼（Inge Lehmann）。

她于1936年發表了一篇標題僅有一個詞的經典論文——《P′》（讀作“P prime”），其中“P′”指代一類異常反射的P波，由此揭示了地球內核的存在。

早在20世紀初，科學家已通過“地震陰影區”確認地核的存在：S波在地核區域完全消失，表明外核為液態；而P波則發生折射。然而，萊曼在1930年代初注意到，某些P波竟出現在本應無P波到達的影區內。

她敏銳地意識到，這些異常信號只能由一個致密、固態的內核對P波的反射或折射來解釋。據此，她提出地球中心存在一個固態內核，后被測定直徑約2440公里——這顆深藏于液態外核之中的“行星中的行星”，由此揭開地球深部結構的新篇章。

2 發電機模型

1995年，加里·A·格拉茨邁爾（Gary A. Glatzmaier）與保羅·H·羅伯茨（Paul H. Roberts）在《Nature》上發表了一項重要成果：他們構建了一個三維、自洽的地磁發電機數值模型。該模型模擬揭示地球內核可能存在差異旋轉現象——其旋轉速率比地幔和地殼略快，角速度差可達每秒幾納弧度，并在約500年的時間尺度上發生變化。

宋曉東博士當年可能正是受此啟發，開啟了研究地球內核差異旋轉之路。換言之，宋曉東博士當年研究地球內核是否存在差異旋轉，或許是希望驗證或反駁地球動力學發電機模型所預測的結果。

3 內核超速旋轉模型

南桑威奇群島位于南大西洋偏遠海域，地處南美板塊俯沖帶，地震頻發。其獨特的地理位置使從該地發出的地震波可近乎筆直穿過地球內核，抵達阿拉斯加的地震臺站，為探測內核提供了理想路徑。

1996年，哥倫比亞大學地震學家宋曉東與保羅·理查茲利用這一幾何優勢，系統分析了數十年間數十次南桑威奇地震的P波走時數據。他們發現：穿過外地核和地幔的波走時穩定，但穿越內核的P波卻逐年略微加快。

注：所謂“走時”，是指地震波沿某一路徑傳播所需的時間。上述這段話用大白話來說就是：即使路徑相同，不同年份的P波穿越地球內核所用的時間卻不盡相同。

上圖展示了來自幾乎完全相同位置、相隔約15年發生的兩次地震的PKP波形疊加圖。BC和AB之間的時間差幾乎完全相同，證實了這兩次事件的位置確實非常接近。然而，1982年記錄的DF信號相對于BC的到時，比1967年記錄的DF信號早了約0.4秒。

他們提出，內核并非與地幔同步旋轉，而是以略快的速度“超速旋轉”——每年比地表快約1度，導致地震波路徑逐漸對齊內核中一個高速南北向結構，從而縮短走時。1996年，他們在《自然》發表論文，推斷內核每400年相對于地表多轉一圈，首次為“內核差異旋轉”提供了觀測證據。

該模型很好地解釋了三維地磁發電機模擬所預測的內核可能存在相對于地球整體自轉更快的差速旋轉現象，似乎為這一科學問題畫上了一個句號。

4 內核邊界局部變化模型

然而，十年后，溫聯星博士在《Science》上發表論文指出，所觀測到的走時變化可能源于地球內核邊界（ICB）存在局部且快速的動態變化。他巧妙利用1993年與2003年發生在南桑威奇群島的一對“地震波形雙胞胎”事件——即震源機制和波形高度相似的兩次地震——通過高精度對比其在俄羅斯和吉爾吉斯斯坦三個地震臺站記錄的PKiKP波（即在內核邊界反射的P波）走時，發現2003年事件的PKiKP波比1993年提前了39至70毫秒。

在精確校正兩次事件的相對位置與發震時刻后，這一走時差異被確認為真實的時間變化，而非定位誤差。研究據此推斷：在1993至2003年間，非洲中部下方的內核半徑局部增加了約0.98至1.75公里。這一發現挑戰了內核緩慢、均勻生長的傳統觀點，表明其邊界具有動態、不規則的地形，且生長過程可能在局部區域快速發生。

關于地球內核的動態行為，目前尚無定論：一種主流觀點認為內核整體相對于地幔存在差異旋轉；另一種則主張所觀測到的信號源于內核邊界（ICB）局部且快速的半徑變化。此外，還有研究提出這兩種機制可能共存；更有學者推測內核可能處于振蕩狀態——即在某一階段超速旋轉，隨后又減速甚至反向回轉，呈現出周期性擺動，且不同階段的旋轉速率可能存在顯著差異。這一系列模型凸顯了地球內核動力學過程的復雜性，亟需引入獨立的第三方證據，以甄別和約束更具物理合理性的模型。

同時，對這一問題的研究也彰顯了地震學的獨特威力——在溫度與壓力都極端異常的地核深處，或許唯有借助地震波，才能“聆聽”地球最深部的脈動。這，或許正是地震學研究的魅力所在。

如此重大的發現，竟源于微弱的P波到時差異，正所謂“于細微處見真章”。

God Is in the Details！

參考資料

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