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近日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“固體所”）特聘研究員亞歷山大·岡察洛夫（Alexandre F. Gontcharov）研究團(tuán)隊(duì)利用金剛石對(duì)頂砧并結(jié)合脈沖激光加熱技術(shù)，直觀呈現(xiàn)了地球內(nèi)部極端高溫高壓條件下鐵的熱力學(xué)行為，從而解釋了地球磁場(chǎng)穩(wěn)定存在的原因。該成果6月2日在線發(fā)表于《自然》雜志。

“地核的壓力有幾百萬個(gè)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?！睂炻宸蚪榻B說，地球磁場(chǎng)對(duì)這種熱運(yùn)動(dòng)極其敏感，也正是這部分運(yùn)動(dòng)的能量維持著地球磁場(chǎng)的穩(wěn)定存在。

岡察洛夫在固體所研究團(tuán)隊(duì)的博士生姜樹清向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者補(bǔ)充解釋說，該成果具有解釋地球磁場(chǎng)由來和解讀地球溫度演化的雙重意義。

在地球內(nèi)部的高溫高壓極端環(huán)境下，內(nèi)地核主要成分為固態(tài)鐵，而外地核主要成分為液態(tài)鐵，為地磁的產(chǎn)生提供了物質(zhì)條件。“液態(tài)鐵在地核中的對(duì)流，就像一臺(tái)地球發(fā)電機(jī)，源源不斷地產(chǎn)生磁場(chǎng)，這就是地球磁場(chǎng)產(chǎn)生并穩(wěn)定存在的原因?！苯獦淝褰忉尩?。

事實(shí)上，液態(tài)鐵在地核中的熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律和能量平衡是由其熱導(dǎo)率決定的。以往的研究中，理論工作者根據(jù)不同的預(yù)測(cè)值給出了一些合理的地球演化模型，然而實(shí)際情況最終需要直接的實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作進(jìn)行甄別。

岡察洛夫團(tuán)隊(duì)通過金剛石對(duì)頂砧高壓技術(shù)結(jié)合激光脈沖加熱，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(nèi)部的極端高溫高壓環(huán)境，并利用動(dòng)態(tài)光譜學(xué)方法，準(zhǔn)確測(cè)量了該條件下鐵樣品的熱導(dǎo)率范圍——每開爾文米18至44瓦。

據(jù)悉，該值的大小對(duì)地球具有重要意義，一方面，它能保證液態(tài)鐵在地核內(nèi)不斷對(duì)流，穩(wěn)定地產(chǎn)生地磁場(chǎng)，保護(hù)地球免于來自宇宙的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(huì)過多地傳輸?shù)降乇恚畹乇碓诼L(zhǎng)的演化過程中逐漸降到適宜生命物質(zhì)出現(xiàn)的溫度條件。

記者了解到，為完成此實(shí)驗(yàn)，該課題組采用了世界上最前沿的探測(cè)手段。

“為了模擬地核中的高溫高壓極端條件，需要將多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用，并建立行之有效的探測(cè)系統(tǒng)?！苯獦淝逭f。

據(jù)介紹，岡察洛夫受聘于中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院后，一直致力于在該研究院組建高壓科學(xué)團(tuán)隊(duì)，并自主搭建了具有國(guó)際領(lǐng)先水平的激光加熱、高溫—高壓低波數(shù)拉曼系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)等高壓科學(xué)研究平臺(tái)。此次實(shí)驗(yàn)，一方面對(duì)地球磁場(chǎng)的由來進(jìn)行了正確解讀，另一方面綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的有效性也得到了檢驗(yàn)。未來，該技術(shù)有望進(jìn)一步應(yīng)用于對(duì)其他地質(zhì)材料在極端條件下行為的探索發(fā)現(xiàn)。