天王星和海王星傾斜磁場的未解之謎
2023-03-31 09:03:18 3
天王星和海王星都有一個徹底歪斜的磁場,也許是因為行星特殊的內部結構。但現在蘇黎世聯邦理工學院研究人員的新試驗標明多種假說均不建立,這個疑團仍沒有條理。天王星和海王星這兩顆大型氣體行星具有古怪的磁場。這些磁場相對於行星的自轉軸都有激烈的歪斜,而且與行星的物理中心有顯著的偏移,其原因一直是行星科學界的一個疑團。
各種理論以為,這些行星獨特的內部結構可能是構成這種奇特現象的原因。這些假說以為偏斜的磁場是由對流層中的循環引起的,而對流層由導電液體組成。這個對流層又圍繞著一個安穩的分層的非對流層,在這個對流層中,因為資料的高粘度,沒有循環,因而對磁場沒有太多影響。
計算機模仿顯現,天王星和海王星的主要成分--水和氨,在十分高的壓力和溫度下進入一種不同尋常的狀況:"超離子狀況",它一起具有固體和液體的特性。在這種狀況下,氫離子在氧氣或氮氣構成的晶格結構中變得活動起來。
最近的試驗研究證明,超離子水能夠存在於根據理論,安穩分層區域地點的深度。因而,可能是分層層是由超離子成分構成的。但是,因為超離子狀況的物理特性尚不清楚,這些成分是否真的能夠抑制對流並未可知。
最小空間內的高壓
蘇黎世聯邦理工學院地球科學系的木村智明和村上元彥現在離找到答案又近了一步。這兩位研究人員在試驗室裡用氨進行了高壓和高溫試驗。試驗的目的是確定超離子資料的彈性。彈性是影響行星地幔熱對流的最重要物理性質之一。值得注意的是,資料在固態和液態下的彈性是徹底不同的。
在調查中,研究人員使用了一種叫做金剛石砧板電池的高壓儀器。在這種儀器中,氨氣被放置在一個直徑約100微米的小容器中,然後夾在兩個金剛石頂級之間緊縮樣品。這樣就能夠將資料置於極高的壓力下,如天王星和海王星內部的壓力。
然後用紅外雷射將樣品加熱到2000多攝氏度。一起,一束綠色雷射照亮樣品。經過丈量散射的綠色雷射的波譜,研究人員能夠確定資料的彈性和氨中的化學鍵。不同壓力和溫度下波譜的變化能夠用來確定氨在不同深度的彈性。
木村和村上在丈量中發現了一種新的超離子氨相(γ相),它表現出與液相類似的彈性。這種新相可能安穩在天王星和海王星的深層內部,因而在那裡呈現。然而,超電離氨的行為就像液體一樣,因而它的粘性不足以促進非對流層的構成。
基於新的研究結果,超離子水在天王星和海王星內部有什麼特性的問題就變得更加迫切。因為即使是現在,這兩顆行星為什麼會有如此不規則的磁場,這個疑團依然沒有解開。