導讀

地球人都知道：地球存在著穩定的磁場，這個磁場像個“保護傘”保護著地球生命免受宇宙射線的侵害，為地球生命蓬勃生長貢獻力量，并且推動了地球文明的發展。中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所（以下簡稱“固體所”）特聘研究員亞歷山大·岡察洛夫（Alexandre F. Gontcharov）研究團隊利用金剛石對頂砧并結合脈沖激光加熱技術，直觀呈現了地球內部極端高溫高壓條件下鐵的熱力學行為，從而解釋了地球磁場穩定存在的原因。該成果6月2日在線發表于《自然》雜志。

“地核的壓力有幾百萬個大氣壓，溫度有幾千攝氏度，人們想了解的是在這種極端條件下，熱量如何在地核中傳播。”岡察洛夫介紹說，地球磁場對這種熱運動極其敏感，也正是這部分運動的能量維持著地球磁場的穩定存在。

岡察洛夫在固體所研究團隊的博士生姜樹清向《中國科學報》記者補充解釋說，該成果具有解釋地球磁場由來和解讀地球溫度演化的雙重意義。

在地球內部的高溫高壓極端環境下，內地核主要成分為固態鐵，而外地核主要成分為液態鐵，為地磁的產生提供了物質條件。“液態鐵在地核中的對流，就像一臺地球發電機，源源不斷地產生磁場，這就是地球磁場產生并穩定存在的原因。”姜樹清解釋道。

事實上，液態鐵在地核中的熱運動規律和能量平衡是由其熱導率決定的。以往的研究中，理論工作者根據不同的預測值給出了一些合理的地球演化模型，然而實際情況最終需要直接的實驗測量工作進行甄別。

岡察洛夫團隊通過金剛石對頂砧高壓技術結合激光脈沖加熱，獲得了上百萬大氣壓和1600攝氏度~3000攝氏度的極端條件，成功模擬了地核內部的極端高溫高壓環境，并利用動態光譜學方法，準確測量了該條件下鐵樣品的熱導率范圍——每開爾文米18至44瓦。

據悉，該值的大小對地球具有重要意義，一方面，它能保證液態鐵在地核內不斷對流，穩定地產生地磁場，保護地球免于來自宇宙的α射線、γ射線等射線的直接輻射，另一方面又能使地核中的熱輻射不會過多地傳輸到地表，令地表在漫長的演化過程中逐漸降到適宜生命物質出現的溫度條件。

“為了模擬地核中的高溫高壓極端條件，需要將多種實驗技術結合起來應用，并建立行之有效的探測系統。”姜樹清說。

據介紹，岡察洛夫受聘于中科院合肥物質科學研究院后，一直致力于在該研究院組建高壓科學團隊，并自主搭建了具有國際領先水平的激光加熱、高溫—高壓低波數拉曼系統、充氣系統等高壓科學研究平臺。此次實驗，一方面對地球磁場的由來進行了正確解讀，另一方面綜合實驗系統平臺的有效性也得到了檢驗。未來，該技術有望進一步應用于對其他地質材料在極端條件下行為的探索發現。

1、地球磁場對地球文明的意義

地球磁場有效地阻止了太陽風（太陽風是太陽噴射出的帶電粒子，是一束可以覆蓋地球的強大的帶電亞原子顆粒流，屬于等離子態）等宇宙射線長驅直入。40多億年以前，火星也有著磁場，在其磁場的保護下，火星一度擁有更為稠密的大氣層和水，但是在后期的某一個時間（39億年前）火星磁場消失了，在太陽風的侵蝕下，火星的大氣層和水不復存在，火星也成了今天這個荒涼的樣子。因此，磁場對行星上生命的保護作用意義重大。

在地球的南北兩極可觀測到的“極光”現象也證明了地球磁場對地球的巨大保護作用，太陽風會受到地球磁場的作用發生偏轉而偏離地球。候鳥遷徙道路漫長，如何能在漫長路途中不迷失方向，這個問題自古就是科學愛好者心中的謎題，現代科技研究發現，候鳥遷徙是利用地球磁場導航，以確保方向的準確。同樣利用地球磁性導航定位的還有人類的指南針，指南針發明以后，人類開始的大規模、遠距離的航海探險，并發現了新大陸，開啟了近代歷史的新篇章。

2、地球磁場是電磁場

19世紀末，著名物理家居里在自己的實驗室里發現磁石的一個物理特性，就是當磁石加熱到一定溫度時，原來的磁性就會消失。后來，人們把這個溫度叫“居里點”。科學家們就此斷定地球磁場不是永磁體產生的，應該是由電磁產生。

19世紀英國物理學家、數學家麥克斯韋提出了一個——電場會產生磁場，而磁場又會產生電場，如此往復不斷的電磁場理論，并預言的電磁波的存在。造福于人類的無線電技術，就是以電磁場理論為基礎發展起來的。電磁波的存在在1888年被德國物理學家赫茲的實驗證實，轟動了全世界。

科學界普遍認為，產生地球磁場的液體金屬的熱導率應維持在一個特定范圍內，當熱導率過高，地球內部的熱輻射被大量的傳播到地表，就會保持地球形成初期的高溫惡劣環境，火山噴發頻繁、大氣中水蒸發迅速，生命不會出現和演化；當熱導率過低，地核內的熱運動就會逐漸冷卻下來，地表溫度也會不斷降低到不適宜人類生存的溫度，地球磁場也會慢慢削弱，最終消失，地球可能會變成下一個火星，生命不復存在。

如何達到一個溫度和磁場的平衡點？

許多理論物理學家建立了各種數字模型，對地球磁場的運行進行了估算和推理。理想的地球演化模型認為當地核內鐵極其合金的熱導率在30瓦每開爾文每米上下時，地球表面的溫度及內部磁場的運行都可以保持在一個平衡狀態。

3、科學家模擬極端環境得出地球磁場穩定存在的原因

中科院合肥研究院固體所特聘研究員亞歷山大·岡察洛夫領導的研究團隊利用金剛石對頂砧高壓技術和脈沖激光加熱技術，將地球內部極端高溫高壓條件下鐵的熱運動直觀地呈現出來，這些液態鐵不斷流動，形成一個永不停歇的類似地球發電機的存在，電生磁從而形成地球磁場。這一研究工作于近日在線發表在頂級期刊《自然》雜志上。

地球內部處于高溫高壓環境，其中內地核主要成分是固態鐵，外地核為液態鐵，鐵的對流產生地磁場。“地核的壓力有幾百萬個大氣壓，溫度有幾千開爾文，人們一直想要了解在這種極端條件下，熱量如何在地核中傳播，并源源不斷地維持地球磁場的存在。”岡察洛夫研究員說。

他和科研團隊通過金剛石對頂砧高壓技術結合激光脈沖加熱，獲得了上百萬大氣壓、1600－3000攝氏度的極端條件，成功模擬了地核內部的極端高溫高壓環境，并利用動態光譜學方法，準確測量了這種極端條件下鐵的熱導率在18-44瓦每開爾文每米。這一測量結果與前文提到的模型理論相吻合，也驗證這一模型是正確的模型理論。地球在幾十億年中的不斷演化，以及各種形式的生命出現，正是地球內部這臺精密的“地球發電機”在一直保駕護航。

作為固體所引進的專家，岡察洛夫研究員領導科研團隊搭建了完善的高溫高壓實驗系統，可實現200萬大氣壓、5000攝氏度以上的極端高溫高壓條件，并正在發展更高精度的動態光譜學測量系統。