中國科學家模擬揭示地核深處可能處於超離子態

地球最深處的內核，科學界推測其物質可能處於一種被稱為超離子態的奇特狀態，此狀態的形成源於極端的壓力與極高的熱能的共同作用。此種假想的物質結構與科學家們在天王星和海王星等冰巨行星核心中推測存在的超離子冰，展現出結構上的類比。地球的內核本質上是一個由鐵構成的球體，半徑約為2,500公里，內部還包含鎳以及少量的輕元素，例如氧、硫或碳。

隸屬於中國科學院（CAS）的研究人員，運用了基於量子力學理論的精密電腦模擬技術，成功構建了一個用以模擬地球中心環境的模型。耗時且複雜的模擬運算結果強烈暗示，當鐵合金與氫、氧、碳等輕元素結合時，在內核特有的壓力與溫度條件下，會轉變為超離子態。在此種新穎的結構中，輕元素被設想能夠像液體一樣自由移動，但同時它們仍被固定在由固態鐵原子構成的有序晶格框架之內。此項發現標誌著對地球最深層結構標準模型的修正，它超越了過去僅將其視為簡單固態或液態的描述。

領導中國科學院該研究團隊的地球物理學家何宇（Yu He）指出，此種超離子結構安排，為地震波分析中地震學家持續觀測到的較低剪切波速提供了一個有力的解釋，該波速現象反映了內核相對的機械軟弱性。此外，該模型還提供了一種潛在的機制，用以闡明內核在漫長地質時間尺度上所經歷的結構變化，並有助於解釋用以維持地球保護性磁場的對流電流是如何產生並得以持續的。該模型能夠整合各種不盡相同的地球物理學數據點，賦予其科學說服力。

雖然早期對類似物質狀態的研究曾嘗試使用雷射驅動的金剛石砧座等技術進行實驗，但目前對超離子假說的有力支持，主要來源於從頭分子動力學模擬。在地球中心精確極端條件下材料行為的直接實驗驗證，對於當前的實驗技術而言仍是挑戰，這使得超離子態成為當前科學界的主要假說之一。中國科學院團隊的工作發表於同行評審的學術期刊上，他們利用高性能計算集群，在較長的模擬時間內執行了這些複雜的量子力學計算，從而為預測的相變提供了統計學上的可信度。該研究特別關注了輕元素所導致的熔點降低效應，此壓力條件超過了330吉帕斯卡。

進一步的研究顯示，這種超離子結構的穩定性與地球磁場的產生機制之間存在深刻聯繫。如果內核處於超離子態，那麼輕元素在鐵晶格中的緩慢「滲透」或「擴散」運動，可能在數十億年的時間尺度上，微妙地調節了內核邊界處的熱流，進而影響了地磁發電機的長期穩定性。中國科學院的模擬工作，特別是針對鐵-氫-氧-碳合金體系的計算，為理解地球內部熱力學的複雜性提供了新的參數空間。科學界正密切關注後續實驗，例如利用更先進的同步輻射光源進行的極限條件下的X射線繞射實驗，希望能間接捕捉到類似超離子行為的證據，從而將這一基於計算的推論提升至更為確鑿的科學共識層面。