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Seismologist Jessica Irving uses massive earthquakes to unlock secrets of the outer core

普林斯顿大学的地震学家杰西卡·欧文(Jessica Irving)和一个国际团队的同事们将新数据和普林斯顿大学的超级计算机应用到我们脚下这个经典问题上,为地球的外核(地球深处的一个液态铁区域)开发了一个新的模型。

外核不断地搅动,维持着地球的磁场,并向地幔提供热量。“理解外核对于理解磁场的历史是至关重要的,”地球科学助理教授欧文说。她的团队的研究成果今天发表在《科学进展》杂志上。

Jessica Irving sits with two meteorites

普林斯顿大学地震学家、地球科学助理教授杰西卡·欧文(Jessica Irving)与普林斯顿大学(Princeton University)收藏的两颗陨石坐在一起。这两颗陨石中含有铁元素,据信来自星子的核心。我们没有地球核心的样本来研究,所以欧文用地震学来研究地球最深的区域,最近为地球的外核开发了一个新的模型。

欧文说:“我们已经建立的模型,环氧树脂-外核的弹性参数-将成为背景模型,这是其他一切的基础。”研究人员将EPOC描述为现有的原始地球参考模型(PREM)的外核更新。PREM是近40年前发展起来的一个模型,研究地球基本属性如何随深度变化。

研究中的关键数据来自“正常模式”,即驻波,可以在最大的地震(通常为7.5级或更高)后测量到。与大多数地震学家研究的体波和表面波不同,正常模式是“整个地球同时发生的振动,这是一件令人惊奇的事情,”欧文说。“我们可以说,地球以其特有的频率‘像一个铃铛一样响’。”

新模型、EPOC的最初设想的四周夏季科学研讨会与其他地震学家Sanne Cottaar欧文在哪里住,在剑桥大学和Vedran Lekić,马里兰大学。

“PREM是一个古老的、非常简单的、受到广泛关注的模型,但它不能代表任何小规模的结构,”欧文说。“我们想,‘我们能做一个比PREM参数更少的简单模型吗?事实证明,我们可以制作出一种效果更好的模型。”

首先,EPOC减少了在地核和地幔边界处形成“复杂的小层”的需要,她说。近几十年来,研究人员发现prem预测的体波速与他们所发现的数据之间存在差异,尤其是在核心的顶部,一些人认为那里一定隐藏着一个异常缓慢的层。他们讨论了它应该有多厚——估计有50到300英里——以及它必须由什么组成。

欧文说,她的团队的模型并没有比PREM提供更多的细节,“但是我们建议,因为EPOC更适合数据,也许你不需要这个小层。此外,它还提供了有关外核材料特性的信息。

欧文说,外核对这颗行星的热历史及其磁场至关重要,但“它是不可触摸的”。我们不能给你们看外核的石头。但与此同时,它是地球上如此巨大的一部分。地核大约占地球质量的30%。相比之下,地壳微不足道。我们对地球深处有太多的不了解,而这些甚至还不是复杂的性质。我们只是在寻找非常缓慢变化的体积特性。”

为了建立他们的模型,欧文和其他地震学家汇集了他们的技术。Cottaar有经验的状态方程,物理解释温度之间的连接,压力、体积和其他基本特征——Lekić流利的贝叶斯方法,概率的方法,帮助团队筛选了无数可能,找到最可能的模型。由于她的背景与正常模式地震学,欧文知道如何使用最新更新的数据集。

欧文说:“我们三个人都是地震学家,拥有不同的专业技能,我们喜欢在早餐时一起喝咖啡。”“和朋友一起做科学真是太有趣了。”

研究人员将状态方程输入普林斯顿大学的Tiger超级计算机群,以生成数百万个可能的外核模型。欧文说:“每隔六秒钟,我们就会创建一个新的模型。”“有些我们拒绝了,因为它们看起来不对劲。我们对‘错误的’模型进行了科学测试,比如,‘地球的质量应该是我们认为的两倍。’”

然后,研究小组利用其中最好的模型来预测大地震后整个地球的震动频率。研究人员比较了正常模式的测量频率和他们的模型的预测,直到他们找到了他们喜欢的模型。

当教授正常模式时,欧文使用了两个钟的隐喻,一个铜的和一个钢的,都漆成白色。她说:“如果你敲这些钟,你会得到不同的音符,这会告诉你,你有不同的材料在里面。”“确切的频率——这些非常大的地震后地球震动的确切频率——取决于地球的物质属性。就像我们看不见钟上的油漆一样,我们也看不见地球,但我们可以听到音调,这些全地球观测的频率,然后用它们来推断地球深处发生了什么。”

“地震地球外核的弹性参数决定的,”杰西卡·欧文,Sanne Cottaar和Vedran Lekić,6月27日发表在科学进步,DOI 10.1126 / sciadv。aar2538,由NSF资助EAR1644399(欧文)和EAR1345082 (Lekić)和帕卡德基金会。这项工作是在加州大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所2016年的苹果汁研讨会上喝咖啡时开始的,该研讨会得到了NSF FESD-1135452的支持。