科学家揭秘地球磁场稳定存在原因
2016年06月07日
近日，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所（以下简称“固体所”）特聘研究员亚历山大·冈察洛夫（Alexandre F. Gontcharov）研究团队利用金刚石对顶砧并结合脉冲激光加热技术，直观呈现了地球内部极端高温高压条件下铁的热力学行为，从而解释了地球磁场稳定存在的原因。该成果6月2日在线发表于《自然》杂志。
“地核的压力有几百万个大气压，温度有几千摄氏度，人们想了解的是在这种极端条件下，热量如何在地核中传播。”冈察洛夫介绍说，地球磁场对这种热运动极其敏感，也正是这部分运动的能量维持着地球磁场的稳定存在。
冈察洛夫在固体所研究团队的博士生姜树清向《中国科学报》记者补充解释说，该成果具有解释地球磁场由来和解读地球温度演化的双重意义。
在地球内部的高温高压极端环境下，内地核主要成分为固态铁，而外地核主要成分为液态铁，为地磁的产生提供了物质条件。“液态铁在地核中的对流，就像一台地球发电机，源源不断地产生磁场，这就是地球磁场产生并稳定存在的原因。”姜树清解释道。
事实上，液态铁在地核中的热运动规律和能量平衡是由其热导率决定的。以往的研究中，理论工作者根据不同的预测值给出了一些合理的地球演化模型，然而实际情况最终需要直接的实验测量工作进行甄别。
冈察洛夫团队通过金刚石对顶砧高压技术结合激光脉冲加热，获得了上百万大气压和1600摄氏度~3000摄氏度的极端条件，成功模拟了地核内部的极端高温高压环境，并利用动态光谱学方法，准确测量了该条件下铁样品的热导率范围——每开尔文米18至44瓦。
据悉，该值的大小对地球具有重要意义，一方面，它能保证液态铁在地核内不断对流，稳定地产生地磁场，保护地球免于来自宇宙的α射线、γ射线等射线的直接辐射，另一方面又能使地核中的热辐射不会过多地传输到地表，令地表在漫长的演化过程中逐渐降到适宜生命物质出现的温度条件。
记者了解到，为完成此实验，该课题组采用了世界上最前沿的探测手段。
“为了模拟地核中的高温高压极端条件，需要将多种实验技术结合起来应用，并建立行之有效的探测系统。”姜树清说。
据介绍，冈察洛夫受聘于中科院合肥物质科学研究院后，一直致力于在该研究院组建高压科学团队，并自主搭建了具有国际领先水平的激光加热、高温—高压低波数拉曼系统、充气系统等高压科学研究平台。此次实验，一方面对地球磁场的由来进行了正确解读，另一方面综合实验系统平台的有效性也得到了检验。未来，该技术有望进一步应用于对其他地质材料在极端条件下行为的探索发现。（记者王佳雯）
来源：中国科学报
