成噸加壓氧氣可能隱藏在地球熔融的鐵芯中！

地球上巨大的岩漿海洋，在我們的腳下翻滾，似乎在向地球的液態內核輸送氧氣，氧氣正在塑造我們星球上的地震和火山。這是倫敦大學一個研究機構的物理學家達里奧·阿爾夫於20193月5日在美國物理學會3月會議上提出的結論。雖然不可能直接觀察到地核中的氧氣（數千英里的熱岩阻礙了這一觀點）但是阿爾夫和同事們結合了地震數據、化學和關於我們太陽系古代歷史的知識，得出了這樣的結論。鐵核中隱藏著氧氣之類物質的主要證據是什麼？

博科園-科學科普：在地球表面感受到隆隆聲，是整個地球上波浪運動的結果。這些波的行為為我們了解地球上的物質提供了線索——就像整個星球的超聲波一樣。當地震波從地核反彈回地表時，其形狀表明，液態鐵外核的密度明顯小於其內部受壓固態鐵內核。這種密度差異影響著地震形狀和地表火山的活動，但這不是純鐵應該有的表現。如果地核是純鐵，那麼固體內核和液體(外核)的密度對比應該在1.5%左右，但地震學告訴我們，這個比例更接近5%。換句話說，外核密度比它應該的要低，這表明裡面有一些非鐵元素，使它更輕。

氧氣被泵入地球的液體外核，圖片：Shutterstock

這就提出了一個問題：為什麼較輕的元素會和外核混合而不是固體內核？達里奧·阿爾夫表示：當原子處於液態時，它們可以自由流動，使不同元素的混合物能夠共存，即使在地球內部的極端環境中也是如此。但是，由於極端的壓力迫使內核變成固態，那裡的原子形成了更堅硬的化學鍵晶格。而這種更嚴格的結構並不容易容納外來元素。當固體內核形成時，它會將氧原子和其他雜質噴射到液體環境中，就像牙膏從擠壓管中噴出一樣。可以在冰山上看到類似的效果：當海洋中的鹽水結冰時，它會排出雜質，所以冰山最終變成了漂浮在富含鈉的海洋上的大塊固體淡水。

沒有直接的證據表明液體核心中較輕元素是氧，但是星球是由早期太陽系的塵雲形成，知道那裡有什麼元素。研究小組排除了其他元素，如硅，理論上可能存在於核心，基於雲的組成，但沒有解釋觀察到的效果，氧氣是最有可能的候選者。此外，從理論上講，地核中存在的氧氣水平似乎低於化學上根據地幔含氧量所預測的水平。這表明，即使在今天，更多的氧氣仍可能通過化學方式從其周圍富含氧氣的地幔泵入外核。當被問及地核內的氧氣是什麼樣子時，阿爾夫表示，不要想像鐵與氧氣直接結合時會產生氣泡，甚至生鏽。

相反，在那樣的溫度和壓力下，氧原子會在鐵原子之間自由漂浮，形成具有浮力的液態鐵塊。如果你拿一個含有90個鐵原子和10個氧原子的液體包裹，這個包裹的密度將小於一個純鐵包裹。為了幫助證實這些結果，阿爾夫表示：期待著測量在我們星球上形成並向地表輻射的中微子結果。雖然「地球中微子」非常罕見，但當它們出現時，它們可以提供很多關於地球上具體發生了什麼的信息。但是，如果沒有任何直接進入核心的方法，物理學家們將永遠無法從有限的次級數據中對其構成做出最好的判斷。

博科園-科學科普｜研究/來自: 倫敦大學

文: Rafi Letzter/Live Science

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