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【最新研究】科學家發現地球內核物質新形態,只有鐵元素特殊,難怪有磁場
2022/03/02
2022/03/02

地球內部是什麼?很多朋友都知道地球由地殼、地幔、地核構成,其中後兩者都是熾熱的熔岩,但這些熔岩也是不一樣的,在地球的核心部位,溫度高達6000℃左右,比太陽的表面還熱,最近科學家還發現那裡的物質呈現超離子態,並根據那裡的物質形態揭開了地球磁場的來歷之謎。

據大陸媒體2月11日報導,中科院地球化學研究所地球內部物質高溫高壓重點實驗室的研究員李和平、何宇,北京高壓科學中心毛和光院士等人地球內部的物質形態獲得了新的研究,認為地核部位的物質主要呈現出超離子態,這種狀態下不同物質元素的活動性也是不同的。相關論文已經于2月10日發表在《自然》雜誌上。

​研究團隊對地球核心部位的高溫高壓條件下對多種鐵合金的性質進行了計算模擬,結果發現地球內核物質並非以往認為的固態,而是由固態的鐵元素和流動的輕元素組成的超離子態,其中幾乎是只有鐵元素的特性比較特殊,因為它形成了超離子體的「骨架」,供輕元素在其間流動。

​早在2017年開始,大陸中科院地球化學所就和北京高壓科學中心團隊合作構建了一個高度模仿地球內核的模擬體,他們將化學性質最穩定的六方相(hcp)鐵-氫、鐵-碳和鐵-氧合金作為計算模型,發現在地核處高溫高壓條件下,這些合金實質上轉變成了超離子態,並且還發現在超離子態合金中,碳、氫、氧這些相對較輕的元素離子會在鐵等重元素形成的「骨架」結構間隙中快速擴散,明顯表現出了流體的特徵。

​所謂超離子態,是指物質在某種條件下形態介于固態和液態之間,或者說兼有固態凝固和液態流動的特徵,這種狀態的物質如同山石中流動的泉水一樣,或者說向血液在中流動一樣,一部分離子如液體一般快速運動,而另一部分離子如「骨架」一般固定在物質結構中,其自帶電荷且具有導電性。

由于這種物質形態需要超強的高溫高壓,而在行星的內部則存在這種條件,因此研究團隊認為這種物質形態可能廣泛存在于行星級天體的內部,地球的內部當然也很可能具備這種形態的物質。

​論文第一作者何宇就指出,有科學家在以往的研究中認為地球內核的密度要比鋼鐵的密度更低,于是推測地球內核中應該存在不少較輕的元素,但重元素與輕元素是以什麼狀態共存的還是個謎。

這是地球科學研究方面的新發現。此次研究團隊在模擬實驗中不但發現了地球內核物質的超離子態,還發現在地球內核的壓力和溫度條件下,輕元素離子在超離子態鐵合金中的擴散係數和它在鐵熔體「骨架」中的情況相當,這表明輕元素的擴散性質並沒有顯著改變,也更加說明輕元素的對流可能在地球內核中廣泛存在。

​實驗模型同時還獲得了固態-超離子態-液態轉變相圖,證明了超離子態鐵元素物質在熔點之上仍然保持固態,存在過熱態現象,說明鐵合金在內核溫壓下的穩定性。

​我們知道地球有一個巨大的磁場,一直從地球內部延伸到了地表之外至少7萬公里處的地方,那麼這個磁場是如何形成的,產生于哪裡?

其實還是沒有完全解開的謎,雖說一般認為磁場產生地球內部的鐵鎳內核,但具體的狀態和形成原因卻並不清楚,此次大陸科學家通過解釋地核處物質的超離子態,也佐證了地球磁場的存在和形成原因,超離子態中的鐵元素物質構成的內核「骨架」如同一塊巨型磁鐵,形成了保護整個地球大氣層的磁場,地球大氣層是地球生命的存在基礎,所以包括我們人類在內的所有生命物種都得感謝地球內部的這些超離子態物質呢!

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