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科學家在地球固體內核中發現鐵原子的快速“集體運動”

2023-10-08 18:54:23 來源：cnBeta

構成地球固體內核的鐵原子被天文高壓（地球上最高的壓力）緊緊地擠在一起。但研究人員發現，即使在這里，也存在回旋余地。一項新研究發現地球內核中鐵原子的快速“集體運動”。這種運動可以解釋地震數據中地核出乎意料的柔軟性，并對理解地球磁場的產生具有重要意義。

帶電離子與地球磁場相互作用通常會在地球兩極附近產生極光。美國宇航局圖像衛星在這里捕捉到了南極光。圖片來源：美國宇航局

(資料圖)

德克薩斯大學奧斯汀分校和中國合作者領導的一項研究發現，地球內核中的某些鐵原子團能夠快速移動，瞬間改變位置，同時保持鐵的底層金屬結構—— 一種被稱為“集體運動”的運動，類似于晚餐客人在餐桌上更換座位。

鐵原子在地球內核中移動的模型。該模型展示了鐵原子預計如何在地球內核中移動超過 10 皮秒。一皮秒是萬億分之一秒。圖片來源：Zhang 等人。

根據實驗室實驗和理論模型得出的結果表明，內核中的原子運動比之前想象的要多得多。

這些發現可能有助于解釋長期以來困擾科學家的內核的許多有趣特性。它們還可以幫助揭示內核在為地球的地球發電機提供動力方面所扮演的角色——產生地球磁場的難以捉摸的過程。

“現在，我們了解了基本機制，這將有助于我們了解地球內核的動態過程和演化，”該研究的主要作者之一、德克薩斯大學杰克遜地球科學學院教授林榮福說。

該研究于 10 月 2 日發表在《美國國家科學院院刊》雜志上。

科學模型的片段顯示了鐵原子預計如何在地球內核中移動超過 10 皮秒。這些線代表原子隨時間移動的路徑。該模型基于計算數萬個原子的人工智能算法。一皮秒是萬億分之一秒。圖片來源：Zhang 等人。

由于地球內核極高的溫度和壓力，科學家不可能直接對其進行采樣。因此，林和合作者在實驗室中用一塊小鐵板并用快速移動的彈丸射擊它，重新制作了它的縮影。然后將實驗期間收集的溫度、壓力和速度數據輸入內核原子的機器學習計算機模型中。

科學家認為內核中的鐵原子以重復的六邊形結構排列。林說，大多數描繪內核鐵晶格動力學的計算機模型只顯示少量原子——通常少于一百個。但使用人工智能算法，研究人員能夠顯著增強原子環境，創建一個由約 30000 個原子組成的“超級細胞”，以更可靠地預測鐵的特性。

在這個超級細胞尺度上，科學家們觀察到原子團移動、改變位置，同時仍然保持整體六邊形結構。

共同主要作者 Jung-Fu “Afu” Lin 持有一個鐵原子模型，鐵原子排列成六角形結構，被認為出現在地球內核中。圖片來源：Jung-Fu Lin / UT Jackson 地球科學學院

共同主要作者、四川大學教授張友軍表示，研究人員表示，原子運動可以解釋為什么內核的地震測量顯示出一個比在這種壓力下預期的要軟得多、更具延展性的環境。

“地震學家發現地球的中心，稱為內核，出奇地柔軟，有點像廚房里的黃油一樣柔軟，”他說。 “我們發現的重大發現是，固體鐵在地球深處變得異常柔軟，因為它的原子移動能力比我們想象的要大得多。這種增加的運動使內核的剛性減弱，抵抗剪切力的能力減弱。”

研究人員表示，尋找答案來解釋地震數據中反映的“令人驚訝的柔軟”物理特性是他們研究的動力。

研究人員表示，產生地球磁場的地球發電機能量的大約一半可歸因于內核，其余部分由外核組成。對原子尺度內核活動的新見解可以幫助未來研究內核如何產生能量和熱量、它與外核動力學的關系以及它們如何共同產生地球磁場這是宜居星球的關鍵要素。

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