“超离子冰”可解释天王星和海王星周围磁场的异常

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“超离子冰”可解释天王星和海王星周围磁场的异常
海王星的磁场与地球的磁场一样,不是静止的,而是随时间变化。图为 2004 年 8 月的快照。图片源自:NASA 的科学可视化工作室

地球表面的71%是水,水应该是我们最熟悉的物质了。出乎意料的是,其实我们对水——尤其是它凝固时的固态(冰)知之甚少。根据不同的条件,水实际上可以形成十几种不同的结构。一个国际研究小组通过测量一种称为冰 XVIII 的冰和另一种超离子冰状——冰 XX 的结构和特性。其获得的成就可以解释被认为内部包含这两种阶段冰的行星,天王星和海王星的异常磁场怎么形成。

文自:physicsworld.com (https://physicsworld.com/superionic-ice-phases-could-explain-unusual-magnetic-fields-around-uranus-and-neptune/)

翻译:宇宙之外是什么

尽管地球上大部分的冰都具有六边形结构(想想雪花),但冰其实可以呈现至少 20 种不同的晶体和无定形形式。这种奇怪的性质部分来自于它被一个氧原子隔开的两个氢原子之间的分子間引力太弱。

热冰和其他冰态

被研究无数次的其中一种高压冰形式是冰 VII,也被称为“热冰”。这种奇异的体心立方晶相在压力高于 2.3 GPa(海平面大气压的 23,000 倍)的环境温度下形成。理论上已证明它存在于地壳内的冷俯冲带和土星的“冰月”泰坦。

另一种新的冰态,超离子冰或冰 XVIII,预计存在于更高的温度和压力下,大约 1000 K 和 40 GPa。这种形式的冷冻水含有类似液体的氢离子(质子)——能通过氧原子的固体晶格迅速扩散。超离子冰可以构成天王星和海王星内部的很大一部分,快速扩散的质子有助于产生这些“冰巨行星”特有的强大而复杂的磁场。

模仿冰巨人内部的条件

“冰的超离子态是在 20 年前预测的。不过当我们 10 年前开始我们的实验时,没有直接的实验证据证明这种超离子态的存在,”该大学的光束线科学家维塔利普拉卡彭卡( Vitali Prakapenka) 说。

Prakapenka 解释说,过去,各个研究小组都使用 X 射线和光学技术收集了这种态的实验数据。这些数据暗示水在高压-温度条件下的行为方式不寻常,但结果的分散导致整体情况不清楚。“我们现在已经解决了这个难题,”他说。

与来自华盛顿卡内基研究所的同事亚历山大 · 冈察洛夫和谢尔盖 · 洛巴诺夫的的德国研究中心GFZ地质波茨坦,Prakapenka检测结构和冰十八和另一个超离子相冰,冰XX的性质。为此,研究人员首先将室温水样放入金刚石砧座中,然后将压力增加到 150 GPa,从而产生冰 VII 或冰 X。然后他们通过高温加热将水的温度提高到 6500 K。这些是在天王星和海王星内部数千公里处普遍存在的条件,它们可能含有超过 60% 的水。

接下来,研究人员使用 X 射线衍射技术观察结晶冰结构如何变化并成为超离子。他们在阿贡国家实验室的先进光子源(APS) 中使用极其明亮的同步加速器射线进行了这些实验,并得到了卡内基地球和行星实验室的光谱测量的支持,该测量旨在确定冰的光导率。他们观察了两个相——冰 XVII 和冰 XX——并确定了这些相的光学特性突然发生变化时的压力和温度。

导电富水液体

研究人员表示,他们的结果可以帮助解释天王星和海王星的磁场,这些磁场的不同寻常在于它们与行星的自转轴不准平行和对称(就像地球磁场那样)。相反,冰巨星的磁场是倾斜的和偏离中心的。因此,关于它们如何形成的模型假设它们不是由地核中铁水的运动(如在地球上)产生的,而是由行星外部三分之一处的导电富水液体产生的。

“我们可以绘制天王星和海王星内部的压力和温度,”洛巴诺夫解释说。“在这里,压力可以粗略地作为内部深度的衡量标准。根据我们测量的精细相界,我们看到两颗行星的上三分之一是液体,但更深的内部包含固体超离子冰。这证实了关于观察到的磁场起源的预测。”

“我们的研究只是表征超离子态结构:它们的密度、光学特性和压力-温度边界的第一步,”Prakapenka 补充道。他说,未来的研究将侧重于通过将理论模拟与超离子相的电导率、它们的粘度、化学反应性和成分效应的实验测量相结合来确定这种独特物质状态的性质。

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