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在极端条件下精确测量铁水密度

  • 科学
  • 2020-06-29 08:43:33
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熊本大学,东京大学以及日本和法国的其他研究人员使用日本的大型同步辐射装置SPring-8,在与地球外核相似的条件下精确测量了液态铁的密度:1,000,000 atm和4,000摄氏度。在这样的极端条件下,准确测量铁液的密度对于理解我们星球核心的化学组成非常重要。

地球有一个固态金属内芯和一个液态金属外芯,它们位于地表以下约2,900公里(1,800英里)处,两者都处于很高的压力和温度下。由于外芯的主要成分是铁,并且其密度大大低于纯铁,因此人们认为其中含有大量的轻元素,例如氢和氧。确定这些轻元素的类型和数量可以更好地了解地球的起源,特别是当地球与地幔分离时构成地球和核心环境的材料。但是,这首先需要准确测量纯铁水在极端压力和温度类似于熔融核,因此可以比较密度。

随着压力的升高,铁的熔点也升高,这使得难以研究超高压下液态铁的密度。先前的高压液态铁密度测量声称它在堆芯条件下比液态铁的密度高约10%,但假定使用的冲击压缩实验具有较大的误差。

当前的工作通过在SPring-8设施中使用高强度X射线来测量液态铁在超高压和高温下的X射线衍射,从而改善了这些测量结果,并应用了一种新颖的分析方法来计算液体密度。此外,在高达450,000 atm的极端条件下测量了液体的声速曲线。在各种温度和压力下收集数据,然后将其与先前的冲击波数据结合起来,以计算整个地球核心条件下的密度。

当前,估计地球外核密度的最佳方法是通过地震观测。将外层铁心密度与本研究中的实验测量值进行比较,发现纯铁的密度比地球外层铁心高约8%。过去被认为是主要杂质的氧气无法解释密度差异,表明存在其他轻元素。这个发现是迈向估算核心化学成分的重大一步,这是地球科学中的头等问题。

中岛洋一博士说:“在全球范围内,已经进行了超过30年的尝试,这些尝试是使用激光加热的金刚石电池在超高压下测量液体的密度,声速和液体结构的,但是到目前为止,都没有成功。”研究合作的主要成员之一。“我们希望这项研究中取得的技术创新将极大地加快高压下液体的研究。最终,我们相信这将加深我们对地球和其他岩石行星内部的液态金属核和岩浆的理解。”

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