地球内核重大发现：专访北大宋晓东教授

地球内核的自转与地表并不同步。北京大学地球与空间科学学院宋晓东教授团队的最新研究发现，地球内核从1970代初起相对于地表超速旋转，到2009年左右基本与地表同步，进而出现了缓慢的反转比地表旋转速度慢。相关成果于近日发表于Nature Geoscience（自然·地球科学）上，并推测出地球内核差速旋转可能存在70年左右的摆动周期。这一研究将对地球深部的动力学过程和地核地幔的耦合机制提供全新的约束，有助于我们理解地球深部圈层的运行机制。

从地表到内核的耦合共振系统示意图。其中包括内核（差速旋转）、外核（磁场变化）、地幔地壳（日长变化）、地表和大气（全球平均海平面和气温变化）等多个圈层（和对应的地球物理观测）‍

地球内核的反转与周期震荡

宋晓东教授来自北京大学地球与空间科学学院，他和特聘副研究员杨翼博士最新的研究结果揭示了地球内核近七十年来的差速旋转模式的变化。该成果于2023年1月23日正式发表在Nature Geoscience（自然·地球科学）上，研究论文题为Multidecadal variation of the Earth’s inner-core rotation，同刊发表的研究简文题为Differential rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt. 两篇文章的第一作者为杨翼博士，通讯作者为宋晓东教授。

宋晓东教授团队通过对大量数据的收集和精确分析得出：地球内核的差速旋转约在2009年接近停止并在此之后开始缓慢地反向旋转，类似的转向现象在上世纪70年代初期曾有出现，意味着内核的旋转很可能存在周期为六七十年左右的震荡模式。

把地球作为一个系统来看，地球内核差速旋转变化可能会在长周期上（几十年周期）对地球的磁场、自转、气候等方面产生影响。目前，人类对地球内部结构之间的相互联系还尚不清楚。宋晓东教授团队的这项研究，是全世界首次将地球地表变化与地心变化相联系的关键工作。研究结果将对地球深部的动力学过程和地核地幔的耦合机制提供全新的约束，有助于我们理解地球深部圈层的运行机制。

用地震波给地球“把脉”

为了弄清楚地球内部构造的运动规律，宋晓东教授团队采用了“重复地震”的研究方法，即通过观察对比同一台站记录到的发生在同一地点的不同时间的多次地震的地震波，对地球内部进行分析。宋晓东教授团队观测到，有些通过地球内核的地震波的波形和传播时间发生系统性的变化，由此推测出地球内核的变化。这与人们更熟悉的大气扰动造成星星闪烁的现象是类似的。

重复地震的内核信号随时间变化示例图。在1998年到2004年间，地震波的波形存在明显的变化，而在2009到2017年间，并未观测到波形的变化。不经过内核的波形一直保持不变（图b中的BC震相）‍

地震为何能帮助我们了解地球内部呢？因为地震波可以通过地球内部传播，而地球内部的不同结构会对地震波的传播造成不同的影响，因此，地震就像一盏灯，让地球内部的结构和过程可以被观测到。

宋晓东教授在攻读博士学位时，就开始应用对地震波的分析来研究地球的内部结构。1996年，正在从事博士后研究工作的宋晓东对同一区域的地震传递到地表同一台站的地震波进行了观测分析。这些地震波，有一些是从震源经过了内核后传播到台站，另一些则没有通过内核。宋晓东发现，那些穿透内核的地震波的走时随发震时间发生系统变化。这一现象可以被解释为地球外核产生的磁场对内核施加的电磁力矩驱动内核超速旋转所致。这项发现在顶尖科学杂志Nature上作为封面文章发表，被Science杂志评为当年十大科学突破之一，并被美国Discover杂志评为二十世纪最重要的发现之一。

1996年《自然》杂志的封面文章，宋晓东和Paul Richards首次观测到地球内核差速旋转的证据‍

不过，彼时的方法仍有较大局限。由于是观察单次地震，地震波随时间变化的真实性、地震波变化的原因、数据和证据的可靠性等等都有待进一步验证。一直有相关的科研工作者认为这一成果中观测到的地震波变化并非是由地球内核的旋转导致，而是地震震源随时间的系统变化等外在原因所致。2005年，宋晓东教授和合作者采用“重复地震”的方法，证实了穿过内核的地震波的时变性，有力地支持了内核差速旋转这一发现。相关成果发表于Science杂志，结束了一场为期9年的争论，被美国Discover杂志评为当年最重要的100个科学发现之一。

如今，研究团队在此基础上尽可能地寻找更多更大范围的数据。宋晓东教授介绍，这次发表的成果中用到的数据所覆盖的时间也是目前世界所有研究中最长的：“咱们喜欢说厚积薄发，这次的成果确实是这样的。相比之下，1996年的发现更像是灵感与偶然。”

科学追求、深耕不辍

谈及这项成果对我们当下的生活有何意义，宋晓东教授坦率地表示它距离我们的日常生活还很远。地球科学博大精深，地球内核隐秘而遥不可及，其影响更无从谈起，这也是人们希望理解深地科学的重要原因。不过对科学的好奇和执着一直驱使着宋晓东教授在地球科学的领域深耕不辍。宋晓东教授认为，基础科学与应用科学的研究各有各的地位而又相互关联。比如对地球深部的研究，虽然没有立竿见影的应用价值，但却可以满足人类探索未知世界的好奇心，是人类最基本知识的积累和培养新一代科学家和科学公民的重要部分。另一方面，从长时间的地质演化到瞬间的地质事件（如地震和火山爆发），地球深部动力学都与地表环境和资源紧密相连，因而对地球深部的研究也将为相应的应用科学提供支持。

“对于知识的追求是具有高等智慧的人类的基本需求。对这颗我们生于斯、长于斯的星球进行了解和探究，是我们需要做的一件基本的事，也是探索类地星球的基础。”

宋晓东教授从事地球内核研究已经有30多年，1994年在美国加州理工学院获得博士学位，1999年成为美国伊利诺伊大学教授，并从90年代末开始，就与我国多个科研院所和高校开展合作。宋晓东教授探索地球内部奥秘的脚步一直没有停歇。除却前文提到的成果之外，宋晓东教授及合作者多年来陆续在顶尖学术期刊上发表一系列关于地球内核的原创科研成果，孜孜以求于不断为人类探索地球深部的真实奥秘。

1998年，宋晓东教授在Science上发表论文，提出了地球内核呈层状分布的理论，说明内核的结构极其复杂。2015年宋晓东教授南京大学团队利用大地震尾波自相关技术发现地球内核中存在内内核，其各向异性对称轴和形态与外内核不同，该研究成果在Nature Geoscience上发表。此工作被中科院科学发展报告选为“2015年中国科学代表性成果”之一；被大英百科全书选为代表性工作Year in Review 2015。这一成果是人类认识地球内核之心独特性质的开创性成果。2022年国际著名期刊Science发表“科学家们正在探索内核的秘密——并了解它如何拯救地球上的生命”为题的特写新闻报道，专访了宋晓东教授，以较大篇幅重点阐述了宋教授多年以来、以及与杨翼博士后最新的相关研究工作。

作为全球著名的地球物理学家，宋晓东教授不仅推动了地核研究的发展，更是地球内核诸多突破的开拓者。当祖国需要尖端人才时，宋晓东教授毅然放弃了美国终身教授职位，于2020年全职回到祖国，出任北京大学地球与空间科学学院讲席教授，积极参与祖国地球物理学科的建设和发展。宋晓东教授希望能够在北大做出有世界影响性的研究成果，希望能够培养出高水平的科研人才：‍‍‍‍

“我的成长，一路上受到了很多前辈和老师的指导和提携；我也希望能够对年轻人有所帮助，让他们成才，不是说找一个好的工作（那是一个水到渠成的过程），而是说要成为领导世界潮流的顶尖人才。”

宋晓东教授北大团队合照（2022年）

来到北大后，宋晓东教授很快地建立了自己的团队，吸引了不少非常优秀的学生和博士后。团队成员之间积极交流，形成了活跃的学术讨论氛围。同时，看重学科融合的北大也给予了宋晓东教授团队广阔自由的交叉空间，比如来自地球物理、地质、人工智能等专业的老师以及中国地质科学院、中国科学院、中国地震局等相关院所和高校的同事，和他们的交流思考，也促进了这项工作的推进和完成。

本次地球内核旋转变化的研究成果发表之后，受到了国内外媒体的广泛关注，包括自然资源部动态新闻、中国科技网、今日头条、网易新闻、《科技日报》《参考消息》《南华早报》；新加坡的《联合早报》；英国的BBC、《自然》《每日电讯报》；美国的CNN、《纽约时报》《华盛顿邮报》《华尔街日报》《科学美国人》；日本的《日本时报》；俄罗斯全国广播电视；澳大利亚的《澳大利亚人报》；印度的《印度快报》；以及德国、西班牙等国际主流媒体。

宋晓东教授团队，坚守着基础学科的阵地，埋首书海与实验却思接千里，或仰望亿万光年的太空，或深入不为人知的地心。探求世界的未知和奥秘正是这样一份好奇和坚持，汇聚成智慧之光，向未知不断前进。

人物介绍

 宋晓东

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著名地球物理学家，北京大学讲席教授。主要从事地震学、地球深内部结构和动力学、东亚地区深部结构和区域构造、及地震灾害的研究。中国科学技术大学地球物理学士学位，中国石油勘探开发院研究生，美国加州理工学院地球物理学博士学位（计算机副科）。曾经为美国哥伦比亚大学博士后、副研究员和讲师，美国伊利诺伊大学香槟分校助理教授、终身副教授、终身正教授；南京大学、武汉大学、北京大学国家级访问教授，中国地震局、预测所、地球物理所兼职研究员。 他与合作者的重要研究成果包括地球内核的旋转与变化、分层结构、内内核赤道向各向异性的发现、中国岩石圈成像、及青藏高原南部印度板块岩石结构与地壳变形的联系。已发表论文110余篇，包括以第一或通讯作者在Nature/Science/Nature Geoscience/PNAS发表论文8篇。曾获美国PopularScience杂志的科技奖，国际地球物理和测地学联合会(IUGG)地球深部委员会(SEDI)青年科学家Doornbos奖，首届中国海外杰出青年基金(B类)资助，亚太地球物理学会(AOGS SE)杰出讲座。他曾任美国国际地震研究协会(IRIS)全球地震台网(GSN)常委员会主席，国际中国地球科学促进会(IPACES)主席，曾任或现任Earthquake Science主编和Earth and Planetary Physics、世界地震译丛、地质学报（Geologic Sinica）等副主编。现任中国地震学会地震学专业委员会主任，“特大地震和灾害链预测”重点研发项目负责人，中国地震科学实验场人工智能首席科学家，及多个学术机构学术委员会成员。

来源：北京大学地球与空间科学学院、北京大学融媒体中心

文字：钟润文

图片：受访者提供

排版：唐儒雅

责编：李霁‍

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