PNAS:極端條件下H3O的穩定性及其對天王星和海王星磁場的啟示

2021-01-09 中科院地質地球所

PNAS：極端條件下H3O的穩定性及其對天王星和海王星磁場的啟示

天王星和海王星（Uranus、Neptune，下文簡稱U/N）是太陽系八大行星中距離太陽最遠的兩顆行星。它們距日心平均距離分別為19.2 AU和30 AU（1AU=日地距離，約1.5億公裡）。由於距離遠，觀測少，多年來，人們對它們知之甚少。直到在1986和1989年，旅行者2號探測器分別訪問了U/N，才慢慢揭開這兩顆行星的神秘面紗。人們發現這兩顆行星的許多特性都非常相似，並且都具有異常的非偶極子磁場和非軸對稱的偶極磁場。其中，發現U/N都有非常大的偶極傾角（偶極磁軸與自轉軸之間的夾角），天王星的偶極傾角為59°、而海王星的則為47°（圖1），這與地球、木星和土星的磁場特徵極為不同。

圖1 天王星和海王星的磁場，由NASA的旅行者2號太空飛行器測量提供（Nellis, 2015）

是什麼物理過程驅動U/N磁場的產生呢？人們把目光投向U/N的核部，提出了種種結構模型來解釋U/N的磁場。Podolak et al. （1991）和Hubbard et al.（1995）的研究提出，U/N核部穩定流體層之上「薄層」流體的對流可能解釋U/N的異常磁場，隨後Stanley and Bloxham（2004）運用數值模擬方法檢驗了該模型（如圖2所示），結果表明該「薄殼」發電機模型確實可以產生與觀測結果相似的磁場。從此該發電機模型被很多人認可。

　

圖2 行星磁場產生的兩種核結構示意圖（Stanley and Bloxham, 2004）。左圖a對應地核的結構，棕色的區域為固態的內核，淡藍色的為液態的外核，如圖中箭頭示意，整個外核的對流產生了地磁場；右圖b即為所謂「薄層」發電機模型，與地核結構不同，該模型將液態的外核又分為兩層，深藍色的區域內流體不對流，U/N的磁場由淺藍色薄層內流體對流產生

既然U/N的內部可能存在能產生特殊磁場的「薄層」對流流體，那這種流體的成分和結構究竟是怎麼樣的呢？人們對此做了很多猜測。作為巨型冰質行星的代表，U/N內部的主要成分可能為H2O、CH4和NH3（Hubbard, 1981），因此人們的主要研究思路，都從這些化學成分在U/N內部的反應與平衡入手，配合電導率的測量或估算，來推測最有可能產生磁場的流體成分和結構。

早在1988年，Nellis等在實驗壓力和溫度高達75GPa和5000K的條件下，測量了H2O-CH4-NH3混合物的電導率，發現它們的電導率上限約為20（Ω cm）-1；而Cavazzoni等人的第一原理計算則表明，H2O和NH3的流體在高溫高壓條件下經歷了從分子流體到非金屬離子流體再到金屬流體的轉變（如圖3），導致其電導率在300 GPa左右就能達到200（Ω cm）-1；Nellis等人最近則提出，U/N的磁場更可能是由行星內部金屬流體氫（MFH）對流產生，因為MFH在壓力高於140 GPa時，電導率就能高達2000（Ω cm）-1。

圖3 H2O和NH3的高溫高壓相圖（Cavazzoni et al., 1999）

事實上，看似簡單的H-O-C-N體系在U/N內部條件下的反應與性質，要遠比人們想像得複雜。近年來，人們開始關注U/N內部混合物體系的相態、結構與電導率，這對高溫高壓實驗來說是巨大的挑戰，因為U/N內部的溫壓可以達到7000 K、600 GPa，這就使得第一原理模擬預測成為最為重要甚至是唯一的研究手段。

最近，吉林大學超硬材料國家重點實驗室的馬琰銘教授團隊，利用其開發的晶體結構量子力學非線性程序，對H2-H2O二元體系在U/N深部條件下的結構進行了系統搜索，找到一種新的類似水合物的結構（如圖4），該結構在化學成分上的H/O比例為3，因此記為H3O。他們還研究了H3O的化學穩定性和電導率，發現這種結構的性質可以較好地與上述「薄層」發電機模型對應起來（Huang et al., 2020）。

圖4 H3O的晶體結構。紅色小球為O，綠色小球為H（Huang et al., 20200）

依據第一原理模擬計算的自由能，他們得到如圖5a所示的H2-H2O相圖。從該相圖可以看到，隨著溫度的升高，H3O固體中H首先被「解放」，而O則仍然保持在其晶格位置上，使之成為超離子固體；而繼續升高溫度，O也將被熔化，使之成為H3O成分的流體，而這種流體的電導率，被證明要明顯高於純水的電導率，從而非常有利於其產生磁場。他們將該相圖與U/N的可能溫壓曲線相對應，發現具有高電導的H3O流體可能存在於U/N核部外側的0.32-0.39 R（R代表U/N的總半徑）範圍內，從而為「薄層」發電機模型中的流體成分與結構提供了新的解釋。進一步地，依據這些結果，他們還提出了U/N內部可能的圈層結構與成分變化（如圖5b）。

圖5（a）H3O的相圖；（b）U/N內部可能的結構與成分（Huang et al., 2020）

Huanget al.（2020）的研究，對天王星/海王星異常磁場產生的物質基礎提供了新的有益探討。然而，人們對該問題的認識顯然仍然十分不足。實際上，它們的總體成分如何、內部溫壓如何變化、C-N等元素如何分布，等等，這些基本問題其實都還有很大的不確定性，值得將來觀測、實驗和模擬工作的繼續深入。

【致謝：感謝戎昭金副研究員對本文提出的寶貴修改建議。】

主要參考文獻

Cavazzoni C, Chiarotti G L, Scandolo S, et al. Superionic andmetallic states of water and ammonia at giant planet conditions[J]. Science,1999, 283(5398): 44-46.

Huang P, Liu H, Lv J, et al. Stability of H3O at extreme conditionsand implications for the magnetic fields of Uranus and Neptune[J]. Proceedingsof the National Academy of Sciences, 2020, 117(11): 5638-5643.

Hubbard W B. Interiors of the giant planets[J]. Science, 1981,214(4517): 145-149.

Hubbard W B, Podolak M ,Stevenson D J. The interior of Neptune inNeptune and Triton[M]. Cruikshank D P. Tucson: University of Arizona Press,1995:125-154.

Nellis W J, Hamilton D C, Holmes N C, et al. The nature of theinterior of Uranus based on studies of planetary ices at high dynamicpressure[J]. Science, 1988, 240(4853): 779-781.

Nellis W J. The unusual magnetic fields of Uranus and Neptune[J].Modern Physics Letters B, 2015, 29(1): 1430018.

Podolak M, Hubbard W B, Stevenson D J. Models of Uranus interior andmagnetic field in Uranus[M]. Bergstralh T, Miner E D, Matthews M S. Tucson:University of Arizona Press, 1995: 29-61.

Stanley S, Bloxham J. Convective-region geometryas the cause of Uranus' and Neptune's unusual magnetic fields[J]. Nature, 2004,428(6979): 151-153.

（撰稿：高慧，張志剛/地星室）

校對：覃華清

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