PDF《谜一般的地球内核》

・42卷(2013 年)

11 期 流体中低雷诺数运动时力与速度成正 比,但在颗粒介质中,在m鱼的运动 速度小于或等于5 cm/s时,力对速度 不敏感.

力与速度无关的原因是,在 m鱼的运动速度惯性力可以忽略不计 时,作用在它们身上的力主要来源 于它们身体各部位与沙颗粒、以及 沙颗粒之间的摩擦.另一个有趣的 差异是,在流体中,作用于小生物 体的横向拖动力不依赖于其在表面下 的深度,但在颗粒介质中,这种力类 似于静水压力,是正比于深度的. 我们发现,F‖在低雷诺数流体 中运动与在颗粒介质中运动有相似 的行为;

F‖为身体柱状单元在颗粒 介质中相对于运动速度的柱体轴线 取向函数.但F⊥的行为则不同,攻角(柱体轴线和速度的夹角)小时, 力F⊥在颗粒介质中比在流体中上升 得快.导致这种不同行为的机制尚 不清楚,但我们推测,它与表面附 近颗粒堆积近似固体有关. 当我们将所有作用于m鱼上的 力加起来,将合力设为零时,就会惊 讶地发现,RFT模型对m鱼速度的预 测准确在20%以内,这样的准确度 表明,我们对m鱼在颗粒流体中游 泳的认识是正确的.颗粒介质的 F⊥ /F‖比值较大则解释了m鱼每一 波动的身体前进长度相较于线虫更 大的事实. 该理论还预测了由身体波动幅 度增加而加大的推力与随之而来速度 减小之间存在一种制衡.这种折衷最 终给出以每单位距离最小能耗达到 最高泳速的最佳身体波动.如图

2 (c)所示,m鱼已接近RFT预测的最 佳泳速.我们还用机器m鱼(见图

2 (d))测试了在颗粒介质中的 RFT 模型.由于机器的不连贯结构,它没 有m鱼的游泳效率.但是,一旦将 该结构考虑进去,RFT 模型就能很 好地预测机器人的最佳运动状态. 将来结合计算机模拟的颗粒介 质实验研究可能可以进一步揭示为 什么 RFT 行之有效,它又在什么情 况下失效.这样的研究也可能提供 普适性的力关联及其机理. 谜一般的地球内核 (中国科学院地质与地球物理研究所 徐文耀 编译自Bruce Buffett. Physics Today, 2013, (11): 37, 原文详见 http://ptonline.aip.org) 如果我们作一次从地表向地心的 旅行,首先要穿越地壳与地幔岩石圈 层.走过近一半路程(约2900 km), 就会碰到液态外地核.继续向下, 地核由液态过渡到固态,这就是内 地核(图1).虽然内核温度与太阳表 面温度差不多,但是,这里的压力 很高,故而介质呈固态. 地球内核体积不到地球的 1%, 但是,它在地球内部动力学过程中所 起的作用之大令人惊讶.随着地球的 冷却,紧邻内核的外核流体逐渐凝 固,使内核半径每年增大1 mm.在 凝固过程中,液态铁中的潜热释 放,杂质析出,在外核中引起浮力 流动,它们搅动着外核流体,产生 了地磁场.据估计,产生磁场所需 的能量有一半以上来自内核增长. 日益增多的观测显示,内核结 构出乎意料的复杂.早期简单模型 设想,内核是从充分混合的流体中 缓慢地径向增长而成的,但是地震 波速度和衰减的横向变化证据与此 完全不符.内核的这些复杂性可能是 过去动力学历史的记录,读懂这些记 录有助于获得关于地球历史的新认 识,有可能揭示为什么地球演化与最 邻近的其他行星如此不同的原因. 发现与惊奇 当地震波穿过地球传播时,像 明灯一样,照亮了地球内部结构, 酷似医学中的 X 成像.地球介质的 差异使地震波的吸收、散射、传播 等特性发生改变.根据这些变化的 地表记录,可以推测地球介质的性 质,重建地球内部的结构.