奇怪的超离子物质可以构成地球的内核

地核由围绕内核(较亮的黄色球体)的液态外核(黄色)组成。新的计算机模拟表明，内核可能不是普通的固体，而是超离子的，一种具有固体和液体特性的物质状态。

两项研究中描述的计算机模拟表明，地球内核中的物质(包括铁和其他较轻的元素)可能处于“超离子”状态。这意味着当铁保持不动时，就像在固体中一样，较轻的元素像液体一样流动。

这项研究让人们有可能一窥地球上一个神秘、难以接近的领域的内部运作。根据传统的科学智慧，地核由围绕着固体内核的液态外核组成(SN:1/28/19)。但除了知道内核富含铁之外，科学家们并不确切知道还存在哪些其他元素，以及含量是多少。

“内核很难仔细检查，因为它在我们脚下太深了，”堪培拉澳大利亚国立大学的地球物理学家HrvojeTkalčić说。

地震激起的地震波可以穿过内核，为了解内部情况提供线索。但是对这些波的测量让研究人员感到困惑。一种称为剪切波的波的速度低于实心铁或许多类型的铁合金(铁与其他材料的混合物)的预期速度。“这是关于内核的一个谜，”贵阳中国科学院的地球物理学家于河说。

在一项新研究中，He和他的同事模拟了一组64个铁原子，以及各种类型的较轻元素​​——氢、碳和氧——在内核预期的压力和温度下。在正常的固体中，原子排列成有序的网格，牢牢固定在自己的位置上。在超离子材料中，一些原子排列整齐，就像在固体中一样，而另一些则是液体般的自由精神，可以直接穿过固体晶格。研究人员发现，在模拟中，较轻的元素四处移动，而铁则留在原地。

研究人员于2月9日在《自然》杂志上报告说，这种超离子状态减缓了剪切波，表明物质的奇怪相可以解释在内核中测得的意外剪切波速度。

剪切波，也称为次级波或S波，垂直于它们的行进方向摇晃地球，就像沿着上下摆动的跳绳移动的起伏(SNS:1/12/18)。其他波，称为初级波或P波，在平行于它们行进的方向上压缩和扩展地球，就像被挤压的手风琴一样。

要真正解释内核，科学家必须找到与科学家对内核了解的一切保持一致的元素组合，包括其S波速度、P波速度及其密度。伦敦大学学院的矿物物理学家JohnBrodholt说：“你必须匹配所有这三样东西，否则它就不起作用。”

在2021年8月发表在EarthandPlanetaryScienceLetters上的一项研究中，Brodholt及其同事就是这样做的。铁、硅和氢原子的模拟再现了内核的已知特征。在模拟中，这种材料也是超离子的：铁和硅保持原位，而氢像液体一样流动。

但Brodholt指出，他们的结果只是对内核特性的一种可能解释。Brodholt和他的同事之前已经发现了其他元素组合，这些元素可以在不超离子的情况下解释内核，他说，这让地球最深处潜伏着什么的问题悬而未决。

地球之心的另一个谜团是内核的结构似乎会随着时间而改变。这以前被解释为内核以不同于地球其他部分的速度旋转的证据。但贺和他的同事们认为，这可能是由液态轻元素在内核中旋转并随时间改变元素分布的运动造成的。“这篇论文在某种程度上为这两种现象提供了解释”——慢剪切波速度和移动结构——Tkalčić说，他没有参与这两项新研究。

没有参与这项新研究的巴黎索邦大学地球物理学家DanieleAntonangeli说，缺少的一件事是实验室实验显示这些元素组合在内核条件下的行为。这样的测试可以帮助确认模拟是否正确。

先前的实验已经发现水冰可以变成超离子的证据，也许是在天王星或海王星内部发现的条件下(SN:2/5/18)。但是研究人员还不能在被认为存在于地核内部的条件下探测超离子材料的行为。因此，Antonangeli说，科学家们将不得不继续将测试推向更极端的水平。“我内心的实验主义者渴望看到对此的实验验证。”

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