All change at the Earth's core
http://www.physorg.com/news106488564.html
August 16, 2007
很難知道我們腳底下三千公里會發生什麼事，不過直到最近科學家都相當確信他們了解鐵原子在地球核心中都是擠在一起。然而，新研究已經顛覆了這種傳統想法，並且揭露核心的結構並非之前所認為的那樣直接了當。
地球核心的壓力與溫度相當驚人 -- 超過 350 萬 bar 與 7000 K -- 而且不可能在實驗室當中重建這些狀態。我們對於核心的資訊來自於地震波穿越核心的觀察、來自於實驗性研究的推斷以及富含鐵之隕石的研究。
我們都已知道核心大部分都是鐵，不過它亦必定包含某些較輕的雜質，例如氧、矽、硫磺、氫與鎂（因為核心的密度太低以致於無法產生純鐵）。最顯著的雜質被認為是鎳，它佔組成的 5-15%。
大部分對地球核心的研究都指出近似於純鐵的組成。
"那假設合金元素在核心的結構與彈性特性上並不是十分重要，" Igor Abrikosov，瑞典 Linkoping 大學的理論物理學家。
在實驗上與理論上的純鐵研究，致使產生一種核心的「標準模型」，那表示鐵原子以一種「六角形的緊密排列（hexagonal close packed）」形態擠在一起。這像是一種蜂巢狀的結構，原子位於六角形密集排列的階層中，（六角形則）以每隔一層的方式直接橫臥在其下二層的夥伴上。
其他排列結構已被排除，因為它們被認為沒有效率。"在適度壓力下其他結構具有磁性，結果是它們的穩定性較低，" Abrikosov 解釋。
要完成任何在壓力或溫度上近乎核心那樣的實驗是相當不可能的事。
"為了達到高壓，必須要準備很小的樣本，因而很難從這樣的結構中看見繞射圖樣，" Leonid Dubrovinsky 解釋，德國 Bayreuth 大學一位地球科學家。
而且，在高溫下，鐵有擴散的（diffuse）傾向，而且會與鑽石砧（diamond anvil cell）當中的碳原子起反應。鑽石砧是一種裝置，能將樣本夾在二顆鑽石尖端，並產生額外的壓力。
由於無法重建核心狀態因此妨礙我們對於核心的了解，不過近年來強力電腦模型介入這種裂痕。"專門知識已在 'Ab intio'（第一原理）計算中發展，且我們能夠做出高品質的推斷以了解核心狀態，" Abrikosov 說。
另外，實驗已大有進展，最近在新的鑽石砧中已達到相當高的溫度與壓力。在結合同步輻射的使用之後，科學家已能觀察到相當接近地球外核心狀態下的結構。
結合上述這些，Abrikosov、Dubrovinsky 與其他同事已再度遊歷核心。這次他們也將合金元素，例如鎳、鎂，包含在計算當中，而且讓他們驚訝的是，他們發現這有顯著的影響力。
"在高壓下，磁力被迫擠出其他結構之外，而且它們都具有相似的穩定性，" Abrikosov 說，他於今年 3 月出席在法國尼斯所舉辦的第一屆 EuroMinScI Conference，發表他的發現。
這項新研究揭示，「面心立方（face centred cubic，FCC）」與「體心立方（body centred cubic，BCC）」結構無法被排除在外，而且這些結構都相當有可能。"標準模型被幹掉了，" Abrikosov 說。
EuroMinScI 是 European Collaborative Research (EUROCORES) 在 European Mineral Science Initiative（歐洲礦物科學倡議）上的計畫，由 European Science Foundation (ESF) 所發展。
面心立方結構是在每一面上都有一個原子在中心，而且每一角也有，體心立方則是有一個原子在立方體中心。相較於六角形的緊密排列，面心立方結構每隔三層交替出現，原子在各個階層上創造出一種螺旋型的圖樣。
在核心中的原子排列裡，像鎳、矽、氧與鎂這樣的元素很可能扮演關鍵的一部份。最近的實驗證實，在相當高壓之下，鎂原子遭受這種程度的壓縮以致於它們能輕易的塞入鐵的結構當中。另外，鎳元素比鐵更加適合面心立方的結構。
些結構會對核心產生什麼樣的差異？ "那涉及到核心的異向性（anisotropy），" Dubrovinsky 說。
地震波的研究顯示，地震波在南北方向上的傳遞比較快，而在東西向穿越核心時則比較慢 -- 這種現象科學家稱之非等方向性（anisotropic）。原子在核心內的排列方式對於了解這種異向性十分重要。
此外，地球核心產生我們的地磁場。沒有了地磁，地球會遭受危險的宇宙射線轟炸，而生命存活將很艱難。地磁除了保護我們之外，它還能讓衛星保持在同樣的位置。地球上的生物也依賴磁場，不過直到我們了解核心為止，我們無法完整地了解磁場如何被創造，或它會如何改變。
對於研究地球核心的科學家來說，是該回到黑板前，並且重新思考我們腳底下到底有什麼東西的時候了。然而，新一代的強力電腦模擬，再加上我們先前只能夢想的實驗，這表示相當樂觀，而且科學家能有信心，地心將很快揭開它的面紗。
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