科学家在地球固体内核中发现铁原子的快速“集体运动”

2023-10-08 18:54:23 来源：cnBeta

构成地球固体内核的铁原子被天文高压（地球上最高的压力）紧紧地挤在一起。但研究人员发现，即使在这里，也存在回旋余地。一项新研究发现地球内核中铁原子的快速“集体运动”。这种运动可以解释地震数据中地核出乎意料的柔软性，并对理解地球磁场的产生具有重要意义。

带电离子与地球磁场相互作用通常会在地球两极附近产生极光。美国宇航局图像卫星在这里捕捉到了南极光。图片来源：美国宇航局

(资料图)

德克萨斯大学奥斯汀分校和中国合作者领导的一项研究发现，地球内核中的某些铁原子团能够快速移动，瞬间改变位置，同时保持铁的底层金属结构—— 一种被称为“集体运动”的运动，类似于晚餐客人在餐桌上更换座位。

铁原子在地球内核中移动的模型。该模型展示了铁原子预计如何在地球内核中移动超过 10 皮秒。一皮秒是万亿分之一秒。图片来源：Zhang 等人。

根据实验室实验和理论模型得出的结果表明，内核中的原子运动比之前想象的要多得多。

这些发现可能有助于解释长期以来困扰科学家的内核的许多有趣特性。它们还可以帮助揭示内核在为地球的地球发电机提供动力方面所扮演的角色——产生地球磁场的难以捉摸的过程。

“现在，我们了解了基本机制，这将有助于我们了解地球内核的动态过程和演化，”该研究的主要作者之一、德克萨斯大学杰克逊地球科学学院教授林荣福说。

该研究于 10 月 2 日发表在《美国国家科学院院刊》杂志上。

科学模型的片段显示了铁原子预计如何在地球内核中移动超过 10 皮秒。这些线代表原子随时间移动的路径。该模型基于计算数万个原子的人工智能算法。一皮秒是万亿分之一秒。图片来源：Zhang 等人。

由于地球内核极高的温度和压力，科学家不可能直接对其进行采样。因此，林和合作者在实验室中用一块小铁板并用快速移动的弹丸射击它，重新制作了它的缩影。然后将实验期间收集的温度、压力和速度数据输入内核原子的机器学习计算机模型中。

科学家认为内核中的铁原子以重复的六边形结构排列。林说，大多数描绘内核铁晶格动力学的计算机模型只显示少量原子——通常少于一百个。但使用人工智能算法，研究人员能够显着增强原子环境，创建一个由约 30000 个原子组成的“超级细胞”，以更可靠地预测铁的特性。

在这个超级细胞尺度上，科学家们观察到原子团移动、改变位置，同时仍然保持整体六边形结构。

共同主要作者 Jung-Fu “Afu” Lin 持有一个铁原子模型，铁原子排列成六角形结构，被认为出现在地球内核中。图片来源：Jung-Fu Lin / UT Jackson 地球科学学院

共同主要作者、四川大学教授张友军表示，研究人员表示，原子运动可以解释为什么内核的地震测量显示出一个比在这种压力下预期的要软得多、更具延展性的环境。

“地震学家发现地球的中心，称为内核，出奇地柔软，有点像厨房里的黄油一样柔软，”他说。 “我们发现的重大发现是，固体铁在地球深处变得异常柔软，因为它的原子移动能力比我们想象的要大得多。这种增加的运动使内核的刚性减弱，抵抗剪切力的能力减弱。”

研究人员表示，寻找答案来解释地震数据中反映的“令人惊讶的柔软”物理特性是他们研究的动力。

研究人员表示，产生地球磁场的地球发电机能量的大约一半可归因于内核，其余部分由外核组成。对原子尺度内核活动的新见解可以帮助未来研究内核如何产生能量和热量、它与外核动力学的关系以及它们如何共同产生地球磁场这是宜居星球的关键要素。

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