科學家在地球中心發現了一種新的物質狀態
地球熔融的外核下方是一個緻密的中心區域 – 內核，是一個由鐵和輕元素合金製成的緻密球體，在超過 330 萬個大氣壓下壓縮並加熱到與太陽表面相似的溫度。多年來，研究人員一直在努力解釋其不尋常的行為。儘管內核是固體，但它的行為就像可延展的金屬，可以減慢地震剪切波，並顯示出更類似於黃油而不是鋼的泊鬆比。這個悖論提出了一個基本問題：地球的固體中心怎麼會顯得如此堅固卻又如此奇怪的柔韌？
《國家科學評論》雜誌上發表的一項重大研究提供了強有力的解釋。研究小組報告說，地球內核的行為並不像傳統的固體，而是以超離子狀態存在，其中輕元素像液體一樣穿過穩定的鐵框架。這一發現重塑了我們對地球最深層的認識。
四川大學張宇軍教授和黃宇前博士與中國科學院地球化學研究所何宇教授合作進行的這項研究表明，鐵碳合金在內核的極端條件下會轉變為超離子相。在這種環境下，碳原子高速沖過鐵晶格，大大降低了合金的硬度。
“我們首次通過實驗證明，鐵碳合金在內部鹼性條件下表現出顯著降低的剪切速度。”張教授說道。 “在這種情況下，碳原子變得高度流動，像孩子們跳廣場舞一樣在晶體鐵框架上擴散，而鐵本身保持固態和有序。這種所謂的‘超聲波相’顯著降低了合金的硬度。”
經驗證據證實了之前的預期
儘管 2022 年的計算機模擬表明內核可能會呈現這種奇怪的形狀，但迄今為止在實驗室中證實這一點一直很困難。研究人員使用動態衝擊壓縮平台，將鐵和碳樣品推至每秒 7 公里的速度，達到高達 140 GPa 的壓力和接近 2,600 K 的溫度，逼真地再現了內核中發現的環境。
通過將原位聲速測量與先進的分子動力學模擬相結合，研究小組檢測到剪切波速度的顯著損失和泊鬆比的急劇增加。這些結果與地球內記錄的意外軟地震特性一致。在原子水平上，數據顯示碳原子在鐵的結構中自由移動，削弱鐵的強度，但不會導致晶格崩潰。
超級核心塑造地球動力學
超電離模型不僅解釋了長期的地震異常，而且擴展了我們對內核如何影響地球內部過程的理解。光學元件的運動可以解釋地震各向異性（地震波速度的方向差異），並且還可以在維持地球磁場方面發揮作用。
“內核內的原子擴散代表了地球發電機中以前被忽視的能源，”黃博士說。 “除了熱量和成分對流之外，輕元素的流體運動可能有助於為地球的磁電機提供動力。”
該研究還澄清了圍繞輕元素在極端壓力下行為的爭議。以前的研究主要集中在替代化合物或合金上，但這項工作強調了間隙固溶體（特別是含碳的固溶體）在控制核物理性質方面的關鍵作用。
科學家看待地球中心的方式發生轉變
張教授表示，這些結果代表了科學家解釋內核的方式發生了重大變化。 “我們正在從內核的靜態和剛性模型轉向動態模型，”他解釋道。
其影響遠遠超出了地球範圍。識別內核中的超離子相還可以提高我們對岩石行星和其他系外行星的磁和熱演化的理解。正如張指出的那樣，“了解這種隱藏的物質狀態使我們離解開類地行星內部設計的秘密又近了一步。”
該研究得到了國家自然科學基金委、四川省科技計劃、中科院青年交叉團隊的支持。
