構成地球固體內核的鐵原子被天文高壓（地球上最高的壓力）緊緊擠在一起。但研究人員發現，即使在這裡，也存在迴旋餘地。一項新研究發現地球內核中鐵原子的快速「集體運動」。這種運動可以解釋地震資料中地核出乎意料的柔軟性，並對理解地球磁場的產生具有重要意義。

帶電離子與地球磁場相互作用通常會在地球兩極附近產生極光。美國宇航局圖像衛星在這裡捕捉到了南極光。圖片來源：美國太空總署

德州大學奧斯汀分校和中國合作者領導的一項研究發現，地球內核中的某些鐵原子團能夠快速移動，瞬間改變位置，同時保持鐵的底層金屬結構—— 一種被稱為「集體運動」的運動，類似晚餐客人在餐桌上更換座位。

鐵原子在地球內核中移動的模型。該模型展示了鐵原子預計如何在地球內移動超過10 皮秒。一皮秒是萬億分之一秒。圖片來源：Zhang 等人。

根據實驗室實驗和理論模型得出的結果表明，內核中的原子運動比之前想像的要多得多。

這些發現可能有助於解釋長期以來困擾科學家的內核的許多有趣特性。它們還可以幫助揭示核心在為地球的地球發電機提供動力方面所扮演的角色——產生地球磁場的難以捉摸的過程。

「現在，我們了解了基本機制，這將有助於我們了解地球內核的動態過程和演化，」該研究的主要作者之一、德州大學傑克遜地球科學學院教授林榮福說。

這項研究於10 月2 日發表在《美國國家科學院院刊》雜誌。

科學模型的片段顯示了鐵原子預計如何在地球內移動超過10 皮秒。這些線代表原子隨時間移動的路徑。該模型基於計算數萬個原子的人工智慧演算法。一皮秒是萬億分之一秒。圖片來源：Zhang 等人。

由於地球內核極高的溫度和壓力，科學家不可能直接對其進行採樣。因此，林和合作者在實驗室中用一塊小鐵板並用快速移動的彈丸射擊它，重新製作了它的縮影。然後將實驗期間收集的溫度、壓力和速度資料輸入內核原子的機器學習電腦模型中。

科學家認為內核中的鐵原子以重複的六邊形結構排列。林說，大多數描繪內核鐵晶格動力學的電腦模型只顯示少量原子——通常少於一百個。但使用人工智慧演算法，研究人員能夠顯著增強原子環境，創建一個由約30000 個原子組成的“超級細胞”，以更可靠地預測鐵的特性。

在這個超級細胞尺度上，科學家觀察到原子團移動、改變位置，同時仍保持整體六角形結構。

共同主要作者Jung-Fu “Afu” Lin 持有一個鐵原子模型，鐵原子排列成六角形結構，被認為出現在地球內核。圖片來源：Jung-Fu Lin / UT Jackson 地球科學學院

共同主要作者、四川大學教授張友軍表示，研究人員表示，原子運動可以解釋為什麼內核的地震測量顯示出一個比在這種壓力下預期的要軟得多、更具延展性的環境。

「地震學家發現地球的中心，稱為內核，出奇地柔軟，有點像廚房裡的黃油一樣柔軟，」他說。「我們發現的重大發現是，固體鐵在地球深處變得異常柔軟，因為它的原子移動能力比我們想像的要大得多。 這種增加的運動使內核的剛性減弱，抵抗剪切力的能力減弱。”

研究人員表示，尋找答案來解釋地震數據中反映的「令人驚訝的柔軟」物理特性是他們研究的動力。

研究人員表示，產生地球磁場的地球發電機能量的大約一半可歸因於內核，其餘部分由外核組成。對原子尺度內核活動的新見解可以幫助未來研究內核如何產生能量和熱量、它與外核動力學的關係以及它們如何共同產生地球磁場這是宜居星球的關鍵要素。