天王星和海王星(Uranus、Neptune,下文简称U/N)是太阳系八大行星中距离太阳最远的两颗行星。它们距日心平均距离分别为19.2 AU和30 AU(1AU=日地距离,约1.5亿公里)。由于距离远,观测少,多年来,人们对它们知之甚少。直到在1986和1989年,旅行者2号探测器分别访问了U/N,才慢慢揭开这两颗行星的神秘面纱。人们发现这两颗行星的许多特性都非常相似,并且都具有异常的非偶极子磁场和非轴对称的偶极磁场。其中,发现U/N都有非常大的偶极倾角(偶极磁轴与自转轴之间的夹角),天王星的偶极倾角为59°、而海王星的则为47°(图1),这与地球、木星和土星的磁场特征极为不同。
图1 天王星和海王星的磁场,由NASA的旅行者2号航天器测量提供(Nellis, 2015)
是什么物理过程驱动U/N磁场的产生呢?人们把目光投向U/N的核部,提出了种种结构模型来解释U/N的磁场。Podolak et al. (1991)和Hubbard et al. (1995)的研究提出,U/N核部稳定流体层之上“薄层”流体的对流可能解释U/N的异常磁场,随后Stanley and Bloxham (2004)运用数值模拟方法检验了该模型(如图2所示),结果表明该“薄壳”发电机模型确实可以产生与观测结果相似的磁场。从此该发电机模型被很多人认可。
图2 行星磁场产生的两种核结构示意图(Stanley and Bloxham, 2004)。左图a对应地核的结构,棕色的区域为固态的内核,淡蓝色的为液态的外核,如图中箭头示意,整个外核的对流产生了地磁场;右图b即为所谓“薄层”发电机模型,与地核结构不同,该模型将液态的外核又分为两层,深蓝色的区域内流体不对流,U/N的磁场由浅蓝色薄层内流体对流产生
既然U/N的内部可能存在能产生特殊磁场的“薄层”对流流体,那这种流体的成分和结构究竟是怎么样的呢?人们对此做了很多猜测。作为巨型冰质行星的代表,U/N内部的主要成分可能为H2O、CH4和NH3 (Hubbard, 1981),因此人们的主要研究思路,都从这些化学成分在U/N内部的反应与平衡入手,配合电导率的测量或估算,来推测最有可能产生磁场的流体成分和结构。
早在1988年,Nellis等在实验压力和温度高达75GPa和5000K的条件下,测量了H2O-CH4-NH3混合物的电导率,发现它们的电导率上限约为20 (Ω cm)-1;而Cavazzoni等人的第一原理计算则表明,H2O和NH3的流体在高温高压条件下经历了从分子流体到非金属离子流体再到金属流体的转变(如图3),导致其电导率在300 GPa左右就能达到200 (Ω cm)-1;Nellis等人最近则提出,U/N的磁场更可能是由行星内部金属流体氢(MFH)对流产生,因为MFH在压力高于140 GPa时,电导率就能高达2000 (Ω cm)-1。
图3 H2O和NH3的高温高压相图(Cavazzoni et al., 1999)
事实上,看似简单的H-O-C-N体系在U/N内部条件下的反应与性质,要远比人们想象得复杂。近年来,人们开始关注U/N内部混合物体系的相态、结构与电导率,这对高温高压实验来说是巨大的挑战,因为U/N内部的温压可以达到7000 K、600 GPa,这就使得第一原理模拟预测成为最为重要甚至是唯一的研究手段。
最近,吉林大学超硬材料国家重点实验室的马琰铭教授团队,利用其开发的晶体结构量子力学非线性程序,对H2-H2O二元体系在U/N深部条件下的结构进行了系统搜索,找到一种新的类似水合物的结构(如图4),该结构在化学成分上的H/O比例为3,因此记为H3O。他们还研究了H3O的化学稳定性和电导率,发现这种结构的性质可以较好地与上述“薄层”发电机模型对应起来 (Huang et al., 2020)。
图4 H3O的晶体结构。红色小球为O,绿色小球为H(Huang et al., 2020)
依据第一原理模拟计算的自由能,他们得到如图5a所示的H2-H2O相图。从该相图可以看到,随着温度的升高,H3O固体中H首先被“解放”,而O则仍然保持在其晶格位置上,使之成为超离子固体;而继续升高温度,O也将被熔化,使之成为H3O成分的流体,而这种流体的电导率,被证明要明显高于纯水的电导率,从而非常有利于其产生磁场。他们将该相图与U/N的可能温压曲线相对应,发现具有高电导的H3O流体可能存在于U/N核部外侧的0.32-0.39 R(R代表U/N的总半径)范围内,从而为“薄层”发电机模型中的流体成分与结构提供了新的解释。进一步地,依据这些结果,他们还提出了U/N内部可能的圈层结构与成分变化(如图5b)。
图5 (a)H3O的相图;(b)U/N内部可能的结构与成分(Huang et al., 2020)
Huang et al. (2020)的研究,对天王星/海王星异常磁场产生的物质基础提供了新的有益探讨。然而,人们对该问题的认识显然仍然十分不足。实际上,它们的总体成分如何、内部温压如何变化、C-N等元素如何分布,等等,这些基本问题其实都还有很大的不确定性,值得将来观测、实验和模拟工作的继续深入。
【致谢:感谢戎昭金副研究员对本文提出的宝贵修改建议。】
主要参考文献
Cavazzoni C, Chiarotti G L, Scandolo S, et al. Superionic and metallic states of water and ammonia at giant planet conditions[J]. Science, 1999, 283(5398): 44-46.(链接)
Huang P, Liu H, Lv J, et al. Stability of H3O at extreme conditions and implications for the magnetic fields of Uranus and Neptune[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(11): 5638-5643.(链接)
Hubbard W B. Interiors of the giant planets[J]. Science, 1981, 214(4517): 145-149.(链接)
Hubbard W B, Podolak M ,Stevenson D J. The interior of Neptune in Neptune and Triton[M]. Cruikshank D P. Tucson: University of Arizona Press, 1995:125-154.
Nellis W J, Hamilton D C, Holmes N C, et al. The nature of the interior of Uranus based on studies of planetary ices at high dynamic pressure[J]. Science, 1988, 240(4853): 779-781. (链接)
Nellis W J. The unusual magnetic fields of Uranus and Neptune[J]. Modern Physics Letters B, 2015, 29(1): 1430018.(链接)
Podolak M, Hubbard W B, Stevenson D J. Models of Uranus interior and magnetic field in Uranus[M]. Bergstralh T, Miner E D, Matthews M S. Tucson: University of Arizona Press, 1995: 29-61.
Stanley S, Bloxham J. Convective-region geometry as the cause of Uranus' and Neptune's unusual magnetic fields[J]. Nature, 2004, 428(6979): 151-153.(链接)
(撰稿:高慧,张志刚/地星室)
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
PNAS:极端条件下H3O的稳定性及其对天王星和海王星磁场的启示
本站小编 Free考研/2020-05-30
相关话题/结构 测量
【前沿报道】Nature: Mohns超慢速扩张脊的深部电性结构成像
洋脊是地球系统中火山和地震活动极其频繁、岩浆大规模上涌及新生洋壳形成的巨型活动构造带,是大陆漂移和海底扩张的中心,关乎板块构造学说的理论根基,对于研究板块动力、熔体形成和地幔对流等基本地球科学问题具有十分重要的意义。根据扩张速率大小,洋脊可划分为快速、中速、慢速和超慢速扩张脊等四种类型(图1a)。其 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30【前沿论坛】钮凤林:全波地震层析成像研究东亚上地幔结构
报告人:钮凤林∣编写:蒋梦凡,塔力哈尔·哈帕尔,孙伟家(地球与行星室) 深俯冲岩石圈动力学研究近年来取得很大进展,但完整理解该俯冲过程依然存在困难。地震层析成像显示,一些板块俯冲并停滞在地幔过渡带[1],一些板块则俯冲至下地幔深处[2]。不同俯冲带可表现出迥异的俯冲过程,如海沟后撤或前进;俯冲带的 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30【前沿报道】Nature:立方结构CaSiO3钙钛矿的声速原位测量及对下地幔顶部物质成分的启示
CaSiO3钙钛矿(以下简称CaPv)是地幔转换带(MTR,410-660km)和下地幔(660-2900 km)中的重要矿物组分。前人的计算模拟与高温高压实验均表明,CaPv在高压下会随温度的升高而从四方结构转变至立方结构,但对于该相变的温压边界以及立方结构CaPv的弹性波速还存在很大争议。从高温 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30【前沿论坛】Windley:太古代板块结构——来自热液通道、OPS、异剥钙榴岩和块状硫化物沉积的启示
报告人:Brian F. Windley |整编:李咏晨、陈振宇(岩石圈室) 板块构造理论是20世纪地质学最重要的突破,1912年德国科学家魏格纳提出大陆漂移假说,约半个世纪后美国海洋地质学家赫斯和海洋地球物理学家迪茨几乎同时提出海底扩张说, 1965年加拿大地球物理学家威尔逊首次使用“板块”一词 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30郑天愉等-NC:印度大陆俯冲到缅甸下方的结构证据
印度大陆俯冲(subduction)或底冲(underthrusting)是解释印度与亚洲碰撞以来青藏高原新生代地壳变形、岩浆活动和隆升的一个强有力的构造模式。在喜马拉雅地区,地震成像揭示了包括中下地壳的印度板块向青藏高原之下的底冲构造(Nábelek et al., 2009)。在印度-欧亚大陆碰 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30臧明东等-NHESS:考虑结构面粗糙度影响的区域地震滑坡预测模型
地震滑坡是由地震触发的边坡失稳事件,常常造成巨大的生命和财产损失。近年来,全球强震频发,关于地震滑坡的研究已经成为国际上的热点。我国是一个多山多地震的国家,长期面临着极高的地震滑坡风险,准确预测地震滑坡的空间分布是一项极富挑战性的研究,对于地震防灾减灾具有非常重要的意义。 大量野外调查发现,自然界 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30吕彦等-JGR:西北太平洋地区复杂的上地幔结构和变形
西北太平洋地区在新生代期间经历了广泛的构造变形,是研究板块相互作用动力学过程的重要区域。太平洋板块和菲律宾海板块在鄂霍次克板块和欧亚板块下俯冲,形成边缘海、扩张带和广泛分布的岛弧。然而,由于数据和方法的限制,该区域已有的层析成像结果仍然缺乏共识,了解西北太平洋地区的地球动力学特征是一项具有挑战性的课 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30段武辉等-EPSL:石笋记录的华北倒二冰消期的时间和结构特征
20世纪50年代,Emiliani首次将δ18O分析方法应用到海洋沉积物中,并根据海洋沉积物有孔虫δ18O记录率先提出第四纪存在多次冰期旋回。随后,越来越多的深海岩芯、黄土沉积以及冰芯等古气候记录证实了这种“锯齿状”冰期-间冰期旋回:从间冰期向冰期转换的过程是缓慢的,而从冰期向间冰期转换的过程却是迅 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30范兴利等-JGR:长白山火山及其邻区的高精度三维剪切波速度结构
长白山是一座规模巨大的板内层状复式休眠活火山,自形成以来曾发生多次剧烈喷发,发生在公元946年的“千年大喷发”被认为是有人类历史记载以来的最大的火山喷发事件之一,其飘散的火山灰在日本北海道地区沉降了数厘米厚,甚至在北极格林兰的冰芯中都有记录。此后,长白山又在1413年、1668年、1702年和190 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30宋鹏汉等-JGR:秦岭造山带中下地壳存在北东—南西向低速结构
秦岭造山带位于华北板块与华南板块之间,在中国的中央造山带中心,西连昆仑、祁连造山带,东连大别苏鲁造山带 (图1)。秦岭形成于三叠纪华北板块、华南板块和秦岭微板块之间的汇聚、俯冲和碰撞过程。此后,太平洋板块西向俯冲,秦岭的构造活动在中生代由东向西被重新激活。新生代,秦岭被部分卷入青藏高原东北缘的生长和 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30