地球磁场和太阳风(图片来自koya979 / stock.adobe.com)

我们所知道的生命,如果没有地球的磁场和其将危险的电离粒子从太阳风和更远的宇宙射线中偏转的能力,它将不可能存在。这是由地核内液态铁的不断运动产生的,这种现象被称为地磁发电现象。

尽管它无比重要,但关于地磁发电机的起源和维持其运转的能源,几千年来许多问题仍然没有得到解答。

来自一国际研究团队发表在《自然通讯》最新研究成果表明,地核中占主导地位的铁心中存在的较轻元素如何会影响地磁发电机的起源和可持续性。研究团队包括卡内基现任和前任科学家亚历山大·冈查罗夫、尼古拉斯·霍尔特格雷夫、谢尔盖·洛巴诺夫和伊琳娜·楚瓦肖娃。

我们的星球最早形成于太阳的尘埃和气体圆盘。最终,最致密的物质在行星内部下沉,形成了今天的地核、地幔和地壳。尽管地核主要是铁,但地震数据表明在分化过程中一些较轻的元素,如氧、硅、硫、碳和氢,被溶解在其中。

随着时间的推移,地球内核结晶,并持续冷却。就其本身而言,从地核流出并进入地幔的热量能驱动地磁发电吗?或者这种热对流是否需要来自轻元素浮力的额外推动,而不仅仅是热量从冷凝的内核中移出?

了解地核化学成分的细节有助于回答这个问题。

硅酸盐在地幔中占主导地位,在氧和铁之后,硅是地球上第三丰富的元素,因此它是一个可以与铁在地核合金化的主要轻元素之一,。在台湾大学Wen-Pin Hsieh的带领下,研究人员利用实验室模拟的地球深部条件,模拟了硅的存在将如何影响地球铁心向地幔传递热量。

冈查罗夫解释说:“地球核心材料的导热性越低,产生地球同步辐射所需的阈值就越低。”在足够低的阈值下,堆芯外的热量可以完全由热对流驱动,而不需要额外的材料运动来使其工作。”

研究小组还发现,在他们模拟的内核中,硅含量约为8%的合金,在地球的整个历史中,可以单独起到传热的作用。

展望未来,研究者希望扩大他们的努力,以了解氧、硫和碳在地球核心的存在将如何影响这一热对流和地球磁场过程。

作者得到了台湾科技部门、国家自然科学基金委、中国科学院、美国国家科学基金会、深碳观测站等单位的支持。(中国科协杨宝龙 根据卡内基研究所相关材料和出版物整理,图片来源:koya979 / stock.adobe.com)