脈沖激光加熱模擬極端條件助力探秘地球磁場(chǎng)

　　地球磁場(chǎng)能夠保護(hù)我們免受宇宙有害射線的侵害，生命的出現(xiàn)也與地球磁場(chǎng)息息相關(guān)。那么，究竟是什么支撐了地球磁場(chǎng)的穩(wěn)定存在呢?中國(guó)科學(xué)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(Alexander·Goncharov)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一問(wèn)題做出了回答：他們利用金剛石對(duì)頂砧并結(jié)合脈沖激光加熱技術(shù)，將地球內(nèi)部極端高溫高壓條件下鐵的熱運(yùn)動(dòng)直觀地呈現(xiàn)在我們面前。這一研究工作于6月2日在線發(fā)表在《自然》雜志上(Nature 534, 99–101)。

　　地球內(nèi)部處于高溫高壓環(huán)境，其中內(nèi)地核主要成分是固態(tài)鐵，外地核為液態(tài)鐵，液體鐵的運(yùn)動(dòng)形成地磁場(chǎng)。“地核的壓力有幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓，溫度有幾千開(kāi)爾文，人們想要了解的是在這種極端條件下，熱量如何在地核中傳播。因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)對(duì)這種熱運(yùn)動(dòng)極其敏感，而正是這部分運(yùn)動(dòng)的能量在源源不斷的維持地球磁場(chǎng)的存在。” 岡察洛夫研究員說(shuō)。

　　科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)金剛石對(duì)頂砧高壓技術(shù)結(jié)合激光脈沖加熱，從而獲得了上百萬(wàn)大氣壓、1600-3000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。研究發(fā)現(xiàn)，鐵的熱導(dǎo)率范圍為每開(kāi)爾文每米18至44瓦，這與地球早期磁場(chǎng)的模擬結(jié)果一致，證實(shí)了在地球剛剛形成的最早期，液態(tài)鐵在地球內(nèi)部不斷對(duì)流產(chǎn)生“發(fā)電機(jī)”效應(yīng)，從而在地球外部形成磁場(chǎng)，保證了地球的不斷演化成型和生命物質(zhì)的產(chǎn)生。

　　研究表明，地核中鐵的熱運(yùn)動(dòng)不僅能夠維持地球發(fā)電機(jī)的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)和地磁場(chǎng)的穩(wěn)定存在，而且還保證了地核中的熱輻射不會(huì)強(qiáng)烈地傳播到地球表面，進(jìn)而使得地球在漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中，逐漸冷卻到允許生命產(chǎn)生的溫度條件。

　　作為固體所引進(jìn)的“外專千人計(jì)劃”專家，岡察洛夫研究員領(lǐng)導(dǎo)科研團(tuán)隊(duì)搭建了完善的高溫高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)200 萬(wàn)大氣壓、5000攝氏度以上的極端高溫高壓條件，并正在發(fā)展更高精度的動(dòng)態(tài)光譜學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。2015年岡察洛夫研究員被中國(guó)政府授予“友誼獎(jiǎng)”，以表彰其在促進(jìn)國(guó)際科研合作方面的貢獻(xiàn)。

　　上述研究是固體所在極端條件研究方面取得的又一重大成果，該所極端環(huán)境能源物質(zhì)中心研究成果在半年之內(nèi)連續(xù)2次被《自然》刊發(fā)——今年1月6日《自然》曾發(fā)表了該中心另一位專家尤金-格列戈良茨(Eugene Gregoryanz)研究員的高壓研究成果，他們?cè)诔^(guò)地心的壓力極限下，獲得了氫及其同位素氘第五相存在的證據(jù)，被認(rèn)為是氫研究領(lǐng)域的里程碑。