地核奇异氢相如何表现？新研究揭氢元素非随机分布

地球核心主要由铁构成，但密度无法以纯铁解释，暗示核心必然混有较轻元素，科学家长期怀疑氢是成分之一。一篇新研究指出，以 超离子态存在的氢，其浓度在内核与外核之间呈梯度分布，成因则为热力学平衡直接结果。

氢在宇宙含量丰富，且特定条件下能与铁混合，因此科学家长期怀疑氢混入地核构成，而地震波数据显示地球内核似乎随深度存在某 种变化，新研究试图解开该变化发生机制。

在地球核心极端高温高压条件下，氢原子会进入称为“超离子态”的特殊状态，表现得像液体一样，能在固态铁晶格结构自由流动， 这种超离子态行为与传统固体不同，并且会影响不同相的热力学性质。

科学家普遍认为内核元素主要为六方最密堆积结构（hexagonalclose-packed，hcp），已知氢能以超离子态存于六方最密堆积结构， 但不清楚是否也能以超离子态存于体心立方堆积结构（body-centeredcubic，bcc）中；此外，氢丰度在液态外核与固态内核之间的变化 ，过去建模也得出相互矛盾结果。

为理清地球核心内部究竟发生什么，团队采用量子力学模拟，针对内核所处压力与温度条件建模固态、超离子态、液态3种状态，接著依这些结果建构相图，进而推算氢从内核边界到地心的浓度分布。

氢更集中于地球内核、外核边界

分析表明氢浓度呈放射状递减，内核与外核交界处浓度最高，愈接近地心愈低。

此外，氢在固相和液态铁相的划分主要取决于温度与铁熔点相对接近程度，而不仅压力本身，代表氢梯度是热力学平衡运作下的直接 结果。

计算还表明，氢在特定条件可稳定超离子bcc相，但这种稳定会被熔化现象取代，因此只有超离子hcp相能与液态铁氢系统共存，某种 程度等于从热力学角度排除bcc相在内核大范围存在可能性，间接支持采用hcp结构解读内核地震波各向异性的主流研究路线。

不过这项研究仅模拟铁氢系统，而地核可能还含有其他轻元素如氧、矽、碳、硫，未来研究仍需模拟多元素系统才能进一步完善地核 模型。

新论文发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）。