近日，中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所（以下簡稱「固體所」）特聘研究員亞歷山大·岡察洛夫（Alexandre F. Gontcharov）研究團隊利用金剛石對頂砧並結合脈衝雷射加熱技術，直觀呈現了地球內部極端高溫高壓條件下鐵的熱力學行為，從而解釋了地球磁場穩定存在的原因。該成果6月2日在線發表於《自然》雜誌。
「地核的壓力有幾百萬個大氣壓，溫度有幾千攝氏度，人們想了解的是在這種極端條件下，熱量如何在地核中傳播。」岡察洛夫介紹說，地球磁場對這種熱運動極其敏感，也正是這部分運動的能量維持著地球磁場的穩定存在。
岡察洛夫在固體所研究團隊的博士生薑樹清向《中國科學報》記者補充解釋說，該成果具有解釋地球磁場由來和解讀地球溫度演化的雙重意義。
在地球內部的高溫高壓極端環境下，內地核主要成分為固態鐵，而外地核主要成分為液態鐵，為地磁的產生提供了物質條件。「液態鐵在地核中的對流，就像一臺地球發電機，源源不斷地產生磁場，這就是地球磁場產生並穩定存在的原因。」姜樹清解釋道。
事實上，液態鐵在地核中的熱運動規律和能量平衡是由其熱導率決定的。以往的研究中，理論工作者根據不同的預測值給出了一些合理的地球演化模型，然而實際情況最終需要直接的實驗測量工作進行甄別。
岡察洛夫團隊通過金剛石對頂砧高壓技術結合雷射脈衝加熱，獲得了上百萬大氣壓和1600攝氏度~3000攝氏度的極端條件，成功模擬了地核內部的極端高溫高壓環境，並利用動態光譜學方法，準確測量了該條件下鐵樣品的熱導率範圍——每開爾文米18至44瓦。
據悉，該值的大小對地球具有重要意義，一方面，它能保證液態鐵在地核內不斷對流，穩定地產生地磁場，保護地球免於來自宇宙的α射線、γ射線等射線的直接輻射，另一方面又能使地核中的熱輻射不會過多地傳輸到地表，令地表在漫長的演化過程中逐漸降到適宜生命物質出現的溫度條件。
記者了解到，為完成此實驗，該課題組採用了世界上最前沿的探測手段。
「為了模擬地核中的高溫高壓極端條件，需要將多種實驗技術結合起來應用，並建立行之有效的探測系統。」姜樹清說。
據介紹，岡察洛夫受聘於中科院合肥物質科學研究院後，一直致力於在該研究院組建高壓科學團隊，並自主搭建了具有國際領先水平的雷射加熱、高溫—高壓低波數拉曼系統、充氣系統等高壓科學研究平臺。此次實驗，一方面對地球磁場的由來進行了正確解讀，另一方面綜合實驗系統平臺的有效性也得到了檢驗。未來，該技術有望進一步應用於對其他地質材料在極端條件下行為的探索發現。（記者王佳雯）
來源：中國科學報
(責編：趙竹青、馬麗)
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