地球下方熔融的外核是緻密的中心區域。內核是一個由鐵和輕合金製成的緻密球體，受到超過 330 萬個大氣壓的擠壓，並被加熱到與太陽表面相當的溫度。多年來，研究人員一直在努力解釋其不尋常的行為。儘管內核很硬，但它的表現就像是弱化的金屬。這減少了地震波的剪切力。並顯示泊鬆比更類似於黃油而不是鐵。這場衝突提出了一個基本問題：世界的固體中心怎樣才能顯得既穩定又靈活？
《國家科學評論》發表的一項具有里程碑意義的研究提供了明確的解釋。研究小組報告說，地球內核的行為與正常固體不同。相反，它處於超離子狀態，其中輕元素像液體一樣穿過固體鋼框架。這一發現重塑了我們對地球最深層的認識。
該調查由四川大學張友軍教授和黃玉前博士以及地球化學研究所何宇教授領導。中科院研究表明，鐵碳合金在內核惡劣條件下轉變為超離子態。在這種環境下，碳原子高速穿過鋼晶格。這大大降低了合金的硬度。
“我們首次通過實驗證明，鐵碳合金在內核條件下具有非常低的剪切速度，”張教授說。 “在這種狀態下，碳原子具有高度的流動性。它像孩子們跳廣場舞一樣在結晶鋼框架中擴散，而鋼本身卻保持固態和有序。這種‘超離子相’顯著降低了合金的強度。”
實驗證據證實了之前的預測。
儘管 2022 年的計算機模擬表明內核可能會呈現出這種奇特的形式。但到目前為止，在實驗室中確認該核心已經被證明是困難的。研究人員使用了動態衝擊壓縮平台。以每秒 7 公里的速度推進鋼碳樣品。它的壓力高達 140 吉帕，溫度接近 2,600 開爾文，緊密再現了內核的環境。
通過將原位聲速測量與先進的分子動力學模擬相結合，該團隊檢測到剪切波速度的急劇損失和泊鬆比的顯著增加。這些結果與地球內部記錄的地震出乎意料的溫和性質一致。在原子水平上，數據顯示碳原子在有序的鋼結構中自由移動。這會導致鋼結構的弱化，但不會導致網格倒塌。
決定地球運動方向的超音速軸。
超離子模型不僅可以解釋長期存在的地震異常。但它也擴展了我們對地核如何促進地球內部過程的理解。光成分的運動可以解釋地震各向異性，即地震波速度方向的變化。它還可能在維持地球磁場方面發揮作用。
“原子在內核中的擴散代表了地球發電機的早期能源，”黃博士說。 “除了元素熱和對流之外，輕元素的流體運動可能有助於驅動地球的磁引擎。”
該研究還澄清了關於光敏元件在極端壓力下的行為的爭論。以前的研究主要集中在取代化合物或合金上。但這項工作凸顯了固體解決方案的重要作用。 （特別是那些涉及碳的）控制核心的物理特性。
改變科學家看待地球中心的方式
張教授表示，這一發現代表了科學家解釋內核方式的重大轉變。 “我們正在從靜態、剛性的內核模型轉向動態模型，”他解釋道。
其意義超越了世界。張指出，識別內核中的超離子相可能有助於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。 “了解這種隱藏的物質狀態使我們離解開類地行星內部的秘密又近了一步。”
該研究得到了國家自然科學基金委的支持。四川省科技計劃項目及中科院青年交叉團隊
