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標題: 極端條件下H3O的穩定性及其對天王星和海王星磁場的啟示 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2024-6-8 08:40 AM 標題: 極端條件下H3O的穩定性及其對天王星和海王星磁場的啟示

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　　天王星和海王星(Uranus﹑Neptune﹐下文簡稱U/N)是太陽系八大行星中距離太陽最遠的兩顆行星。它們距日心平均距離分別為19.2 AU和30 AU(1AU=日地距離﹐約1.5億公里)。由於距離遠﹐觀測少﹐多年來﹐人們對它們知之甚少。直到在1986和1989年﹐旅行者2號探測器分別訪問了U/N﹐才慢慢揭開這兩顆行星的神秘面紗。人們發現這兩顆行星的許多特性都非常相似﹐並且都具有異常的非偶極子磁場和非軸對稱的偶極磁場。其中發現U/N都有非常大的偶極傾角(偶極磁軸與自轉軸之間的夾角)﹐天王星的偶極傾角為59°﹑而海王星的則為47°(圖1)﹐這與地球﹑木星和土星的磁場特徵極為不同。
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　　是什麼物理過程驅動U/N磁場的產生呢﹖人們把目光投向U/N的核部﹐提出了種種結構模型來解釋U/N的磁場。Podolak et al. (1991)和Hubbard et al. (1995)的研究提出﹐U/N核部穩定流體層之上「薄層」流體的對流可能解釋U/N的異常磁場﹐隨後Stanley and Bloxham (2004)運用數值模擬方法檢驗了該模型結果表明該「薄殼」發電機模型確實可以產生與觀測結果相似的磁場。從此該發電機模型被很多人認可。
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行星磁場產生的兩種核結構示意圖(Stanley and Bloxham, 2004)。左圖a對應地核的結構﹐棕色的區域為固態的內核﹐淡藍色的為液態的外核﹐如圖中箭頭示意﹐整個外核的對流產生了地磁場﹔右圖b即為所謂「薄層」發電機模型與地核結構不同﹐該模型將液態的外核又分為兩層﹐深藍色的區域內流體不對流﹐U/N的磁場由淺藍色薄層內流體對流產生
　　既然U/N的內部可能存在能產生特殊磁場的「薄層」對流流體﹐那這種流體的成分和結構究竟是怎麼樣的呢﹖人們對此做了很多猜測。作為巨型冰質行星的代表﹐U/N內部的主要成分可能為H2O﹑CH4和NH3 (Hubbard, 1981)﹐因此人們的主要研究思路﹐都從這些化學成分在U/N內部的反應與平衡入手﹐配合電導率的測量或估算來推測最有可能產生磁場的流體成分和結構。
　　早在1988年﹐Nellis等在實驗壓力和溫度高達75GPa和5000K的條件下﹐測量了H2O-CH4-NH3混合物的電導率﹐發現它們的電導率上限約為20 (Ω cm)-1﹔而Cavazzoni等人的第一原理計算則表明﹐H2O和NH3的流體在高溫高壓條件下經歷了從分子流體到非金屬離子流體再到金屬流體的轉變﹐導致其電導率在300 GPa左右就能達到200 (Ω cm)-1﹔Nellis等人最近則提出﹐U/N的磁場更可能是由行星內部金屬流體氫(MFH)對流產生﹐因為MFH在壓力高於140 GPa時﹐電導率就能高達2000 (Ω cm)-1。
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　　事實上﹐看似簡單的H-O-C-N體繫在U/N內部條件下的反應與性質要遠比人們想像得複雜。近年來﹐人們開始關注U/N內部混合物體系的相態﹑結構與電導率﹐這對高溫高壓實驗來說是巨大的挑戰﹐因為U/N內部的溫壓可以達到7000 K﹑600 GPa﹐這就使得第一原理模擬預測成為最為重要甚至是唯一的研究手段。
　　最近﹐吉林大學超硬材料國家重點實驗室的馬琰銘教授團隊﹐利用其開發的晶體結構量子力學非線性程序﹐對H2-H2O二元體繫在U/N深部條件下的結構進行了系統搜索﹐找到一種新的類似水合物的結構﹐該結構在化學成分上的H/O比例為3﹐因此記為H3O。他們還研究了H3O的化學穩定性和電導率﹐發現這種結構的性質可以較好地與上述「薄層」發電機模型對應起來(Huang et al., 2020)。
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　　依據第一原理模擬計算的自由能﹐他們得到如下圖a所示的H2-H2O相圖。從該相圖可以看到﹐隨著溫度的升高﹐H3O固體中H首先被「解放」﹐而O則仍然保持在其晶格位置上﹐使之成為超離子固體﹔而繼續升高溫度﹐O也將被熔化﹐使之成為H3O成分的流體﹐而這種流體的電導率﹐被證明要明顯高於純水的電導率﹐從而非常有利於其產生磁場。他們將該相圖與U/N的可能溫壓曲線相對應﹐發現具有高電導的H3O流體可能存在於U/N核部外側的0.32-0.39 R(R代表U/N的總半徑)範圍內﹐從而為「薄層」發電機模型中的流體成分與結構提供了新的解釋。進一步地﹐依據這些結果﹐他們還提出了U/N內部可能的圈層結構與成分變化。
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　　Huang et al. (2020)的研究﹐對天王星/海王星異常磁場產生的物質基礎提供了新的有益探討。然而﹐人們對該問題的認識顯然仍然十分不足。實際上﹐它們的總體成分如何﹑內部溫壓如何變化﹑C-N等元素如何分佈﹐等等﹐這些基本問題其實都還有很大的不確定性﹐值得將來觀測﹑實驗和模擬工作的繼續深入。

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