地球中心的磁性謎

地球的深度是一個地獄的地方。地下超過5,000公里，在溫度下，富含鐵的核心燒焦可與太陽的表面相當，並且在壓力下粉碎，類似於20個藍鯨的重量，在郵票上平衡。

這種極端的環境有助於產生地球磁場，地球磁場是使地面生命成為可能的範圍內的。當太陽偶爾會在地球上吹出電動電荷顆粒時，磁場會重定向傳入的轟炸。沒有這種磁性防禦，太陽風暴將在地面上炸成任何毫無戒心的生命形式，並逐漸消除地球大氣層。

幾十年來，科學家一直在辯論和微調他們對地球磁性的理解。流過液體外芯的熱量有助於熔融鐵，產生磁場，總體共識保持。然而，在過去的幾年中，對地球磁保鏢的新調查已將扳手帶入任何共同點。 2012年，科學家們提出，地球核心的鐵比以前想像的更容易進行熱量。這意味著在外部芯和年輕的地球中僅具有微薄的磁場（如果有的話）混合。然而，古老的岩石揭示了一個早期，強大的磁場的磁記錄，該磁場可保護地球數十億年前。

一月份，超級計算機模擬為此悖論提供了可能的解決方案。模擬在地球核心中極端和壓力的鐵原子周圍的電子精液表明，鐵的熱電導率實際上可能足夠低，以使地球年輕時允許強烈的磁場。短短幾個星期，研究人員認為這個謎可以解決。然而，最近幾個月，使用鑽石和激光器重新創建地球核心核心條件的實際實驗引起了人們對悖論很容易解決的懷疑。

華盛頓特區卡內基科學機構的地球物理學家彼得·德里斯科爾（Peter Driscoll）說，雖然電導率的上升和下降的電導率預測似乎是科學家，但這表明解決方案可能會很接近。

他說：“直到人們開始向兩個方向推動之前，社區永遠不會融入解決方案。”

凍結地獄

地球的核心是一種巨大的熱動力發動機，主要由宇宙碰撞所剩下的能量燃料，例如大約45億年前的月球形成月球。隨著行星逐漸冷卻，這種原始熱量流過圍繞固體內核的液體外層。某些熱能通過傳導從原子傳遞到原子。當熱量流過它時，這些材料保持靜止狀態，就像鑄鐵煎鍋在爐灶上變暖一樣。當流經材料的熱量超過材料通過傳導所能處理的東西時，溫暖的斑塊可以像熱氣球中的加熱空氣一樣上升，從而產生對流。在對流中，材料本身在移動。

這種對流使外芯中的鐵旋轉。縫隙液體用作發電機（SN：5/18/13，p。 26）。在現有的磁場中，發電機充當電氣發電機，以誘導流動鐵中的電流。該動作產生了自己的磁性，增強和維持原始領域。如果更多的熱量通過傳導而不是通過鐵 - 刺對對流流動，則發電機會減弱，磁場減弱。

五年前，科學家認為，地球外部核心的鐵通過對流傳遞了其高溫的很大一部分。在2012年，一切都發生了變化。幾個研究小組獨立提出芯中的更多熱量通過傳導移動，以每米每米150至250瓦的速度速度。 （電導率表示有多少瓦的熱能將通過兩個相反邊之間的1孔溫度差的1米立方體。）電導率約為46至63 W/（M•K）的三倍，科學家先前使用過。有瞭如此高的電導率，如果存在的話，芯中的熱對流將很弱。磁場陷入困境。

“這只是一個令人震驚的聲明，”德里斯科爾說。 “很少見到一夜之間有效地跳躍三倍。”僅由熱對流驅動的強大磁場突然似乎不太可能。

對於大多數現代生活形式來說，幸運的是，熱對流並不是驅動發電機的唯一方法。隨著地球的冷卻，其核心的鐵開始從內而外凍結。目前，固體內核每秒增長多達6,000公噸。將氧氣和硫與固化鐵混合在外芯中的較輕元素​​（例如氧氣和硫）被排出。被驅逐的元素的浮力有助於攪動外芯並保持發電機的運行。到目前為止，只有大約4％的核心凍結了，留下了足夠的能量，以使磁場保持數十億年的可能性。

雖然磁場的未來被解釋了，但它的過去仍然帶來問題。 2012年的電導率估計表明，內核僅在過去10億年內才開始凍結。在此之前，核心中的熱對流可能只產生一個弱磁場。

然而，搖滾唱片表明。 7月，紐約羅切斯特大學的地球物理學家約翰·塔杜諾（John Tarduno）和同事們科學地球磁場最古老的記錄。通過測量嵌入古代澳大利亞晶體內的磁雜質，研究人員證明了一個相對強大的磁場在當今的強度中，大約有12％至100％從約42億到33億年前。

地球的磁歷史因為早期也同樣令人困惑。地球物理學家預計，當離開內核的較輕元素​​開始以新的方式攪動發電機時，田間強度會突然提高。約翰·霍普金斯大學（Johns Hopkins University）的地球物理學家彼得·奧爾森（Peter Olson）說：“您有這個新的電源。” “您正在將發電機插入240伏插座而不是120伏套筒中，您應該看到這種效果。”他說，但是數據中沒有這種跳躍。在2013年的論文中科學，奧爾森給了這些迪納摩困境一個名字：新的核心悖論。他寫道，主流理論和地球磁場的歷史沒有匹配。

然而，產生悖論的2012年論文並不是地球核心電導率的最後一句話。地球心臟的溫度可以達到6,000°攝氏度，壓力可能超過海平面大氣壓的300萬倍。沒有現實生活到達地球中心的旅程，無法收集直接測量。目前，科學家無法針對實驗室的這種極端條件進行準確的電導率測量。取而代之的是，實驗通常在較低的溫度下進行，低於1,700°。然後將這些更中等條件的結果推斷到核心中發現的條件。

這種外推可能會引入歧義，因為它假設鐵在實驗和核心條件之間不會顯著改變其行為。但這可能。今年早些時候，研究人員宣布，較高的電導率估計可能忽略了相對適量的實驗條件與地球核心中嚴峻的環境之間的差距，這可能可以解決新的核心悖論。

電子彈球

了解鐵的電導率需要深入了解鐵原子周圍的電子拉鍊和呼射。在鐵，自由移動的電子渡輪電荷和熱能等金屬中。鐵的電力和熱量如何容易取決於這些電子的傳播程度。

在地球表面發現的溫度和壓力下，人們認為對移動電子的大多數阻力都來自鐵原子本身。電子用振動的鐵原子碰撞，限制了電和熱的流動。但是，核心中的鐵的作用差異很大。核心的壓力將鐵擠壓到其正常密度的1.6倍以上，並且豐富的熱量使電子具有速度提升。

故事在側邊欄後繼續

卡內基科學與同事機構的地球物理學家羅納德·科恩（Ronald Cohen）和彭張（Ronald Cohen）和彭張（Pen Zhang）並沒有試圖在實驗室中復制核心條件。儘管以前的版本使用了對電子如何交互的簡化視圖，但Cohen的團隊精確地跟踪了每個單獨的電子活動。

科恩說：“我們掏出大槍，佔了所有可能的互動。” “我們正在做與大型強子對撞機高能物理學的性質進行相同類型的計算。”

該團隊的模擬從地球核心的溫度和壓力下的數百個鐵原子開始。計算機程序將每個鐵原子和電子之間作用的所有量子力彎曲，然後將每個粒子稍微向前推動。這個過程一遍又一遍地重複，直到這些快照創建了電子如何移動的視頻。模擬粒子數量及其之間的複雜相互作用非常耗時。即使使用超級計算機，模擬實際上也無法計算確切的電導率。研究人員反而一次又一次地重複實驗，直到程序可以估算出足夠低的不確定性的鐵的電導率。

在早期實驗實驗中達到的溫度下，科恩的模擬與先前對鐵的電導率的更高預測一致。然而，在約1,700°左右的情況下，被忽視的互動佔據了中心地位。除了電子從振動鐵原子散射出來外，熱能電子還更頻繁地越過路徑，並開始相互碰撞。在核心條件下，這種電子電子散射變得與電子鐵散射一樣重要。本質上是此添加電阻率翻了一番研究人員在1月29日的報告中報導，將導熱率降低到約105 W/（M•K），大約是2012年的一半。自然。

科恩說：“地球物理學家可以使用我們的數字並使地球物理學起作用。” “他們可以按照他們想要的方式來解釋地球的發電機的歷史。”

奧爾森及其同事在6月號的《新電導率估算》中確實可以使發電機起作用。地球物理和行星室內。將新數字插入通過地球內部的熱流模擬導致對流驅動的發電機在形成內核之前。在這種情況下，磁場仍將與內核的形成一起加強。霍頓密歇根州技術大學的地球物理學家Aleksey Smirnov說，由於熱對流的增強，這種磁性提升將較小，這要歸功於熱對流的增強，並且可以與磁場強度的自然變化融為一體。

許多地球物理學家謹慎樂觀地說，新的，較低的導熱率值可能有助於消除近年來引起的一些棘手問題。但是，新的電導率仍然只是理論上的。它需要實驗結果，以確認在較高溫度下電子電子散射的存在。但是到目前為止，這很難做到。

在壓力下

重新創造地球核心的強烈條件需要精緻和一些閃爍。在東京理工學院的實驗室中，高壓礦物質物理學家Kei Hirose及其同事使用鑽石虎鉗將擠壓在純鐵磁盤上。鐵樣品很小 - 直徑僅約20微米和10微米厚，約為一張復印機紙的厚度十分之一。這些小的尺寸可幫助研究人員平均壓縮並加熱樣品，以類似於地球中心的極端條件。

鐵在兩根0.2克拉鑽石的尖端之間，這些鑽石不太可能在實驗過程中所需的極端力下破裂或翹曲。 Hirose將鑽石的形狀比作富吉安裝的，每個鑽石的形狀大致呈錐形，帶有一個小的平坦峰。研究人員將兩顆鑽石逐漸擠壓約30分鐘，直到鐵在冠狀壓力下。然後，精心瞄準的紅外激光將樣品加熱到幾千度。最後，樣本準備好檢查了。

由於鐵中的電子同時移動電荷和熱量，因此Hirose及其同事可以測量電導率，並從中推斷出導熱率。研究人員將通常由黃金或鉑製成的電極連接到鐵上，並通過樣品運轉電流。在樣品上的電壓下降使研究人員知道鐵的抵抗力有多強。

最近，Hirose的團隊進行了大約1,700°閾值的實驗，在該閾值中，Cohen組預測電子碰撞將變得重要。 Hirose說，實驗沒有表明電子電子散射的證據。實際上，實驗有可能使悖論變得更糟。這項工作表明，隨著溫度的升高，鐵的傳導性可能甚至比以前想像的要少。

2013年，Hirose及其同事預言了這種趨勢地球物理和行星室內，這表明鐵最終達到了一個電子在撞向原子之前的平均距離與每個鐵原子之間的距離相當。在這一點上，剩下的障礙更少對電子運動的抵抗力將平穩他們認為，即使溫度繼續升高。

“好吧，那我們現在回到了悖論，” Smirnov在聽到Hirose Group的新發現後說道。

德里斯科爾在5月在美國地球物理聯盟和其他組織的一次會議上說，即使有如此高的導熱率值，新的核心悖論仍然可以解決。他說，即使電導率高，也足夠大的熱量流經地球內部的熱量也會產生對流。

他建議，放射性元素的衰減可能會帶來額外的熱量。 4月，研究人員報告了自然核心可以包含大量放射性鈾和or。 Driscoll計算出，即使是現代核心中相對較少的放射性，也將轉化為古代磁場的可觀提升。他解釋說，如果只有少量放射性使今天的核心溫暖，那意味著數十億年前，許多放射性原子本來可以幫助加熱熱流。

德里斯科爾說：“還有其他旋鈕可以使自己擺脫問題。”

科恩（Cohen）就電子電子散射會導致較低的核心電導率確信。他說：“我們已經回去並重新檢查了結果的魯棒性，而且看起來非常強大。”他指出，複製地球核心條件的實驗可能是挑剔的。 Hirose和同事實際上可能達到的溫度低於他們所報告的溫度。他說，其他研究小組的即將進行的實驗仍然可以以一種或另一種方式擺動擺。

目前，隨著科學家爭論地球表面以下數千公里的究竟，圍繞地球核心和磁場的謎語將保留下來。奧爾森說：“我敢肯定，在接下來的幾年中，將會有很多來回。” “但這是一個很好的問題。這是使人們擺脫屁股並激勵他們做更多工作的事情。”

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本文發表於2015年9月19日，科學新聞在標題下，“地球中心的神秘”。

編者註：2016年4月13日，在地球核心中發現的條件下，張，科恩和合著者克里斯汀·豪勒（Kristjan Haule）在鐵中撤回了有關鐵散射的論文。在其他科學家未能重現這些發現後，研究人員發現了他們的計算錯誤。修訂後的計算表明，電子 - 電子散射對鐵在地球核心中的電阻率並不重要。此修訂支持其他群體提出的高鐵電導率。