The axial ratio of hcp iron at the conditions of the Earth's inner core
我们提出了从头计算的高温轴向c/a比的六方密堆积（hcp）铁在地球的核心压力，以帮助解释所观察到的地震各向异性的内核。计算是基于密度泛函理论，这是众所周知的预测高压铁的性能具有良好的准确性。c/a的温度依赖性是通过在固定体积和温度下最小化亥姆霍兹自由能来确定的，其中由于晶格振动使用谐波理论计算的热贡献。非谐修正的谐波预测估计从计算的热平均应力从从头算分子动力学模拟六方晶系铁在内核的条件。我们发现轴比随温度的增加而逐渐增加。这种增加比早期计算中发现的要小得多，但与最近的高压，高温衍射测量结果合理一致。这一结果对早期对内核地震各向异性的解释提出了质疑。
2004-09-21 physics.geo-ph
Melting-induced stratification above the Earth's inner core due to convective translation
除了全球南北各向异性（1），还有两个与地球内核有关的神秘的地震学观测结果：东半球和西半球之间的不对称（2-6）以及在外核底部存在一层地震速度降低的层（6-12）。这个250公里厚的层被解释为轻元素（13）中成分减少的稳定分层区域。在这里，我们表明，这层可以产生同时结晶和熔化的表面上的内核，并在内核中的热对流的平移模式可以产生足够的熔化和结晶，分别在每个半球上的致密层的发展。我们提出的动力学模型引入了一个明显的不对称之间的熔化和结晶半球，形成的基础上，也解释了东西不对称。目前的平移速度被发现是典型的1亿年的内核完全更新，这是一个到两个数量级的增长速度比内核的半径。轻元素造成的浮力通量的强烈不对称性预计将对外核的动力学和地球发电机产生影响。
2012-01-05 physics.geo-ph
Geophysical implications of a decentered inner core
在第一近似中，地球内部具有球对称的各向同性结构。在过去的几十年里，地球物理观测揭示了在不同的空间尺度上，这种基本结构存在多种扰动。本文讨论了当内核偏离地球的质心时，这种基本结构所引起的半球扰动。利用数值模拟观测到的半球不对称的地震波通过上部内核，更快的到达时间和更高的衰减在东半球，我们估计，目前的位置的内核从地球中心向东移动了几十公里，在赤道平面。如果作用在内核上的力只有重力，那么它的平衡位置将在地球的中心，估计的位移将是不可能的。我们推测，由于与外核内部的流动和磁场的相互作用，内核处于永久的混沌运动。为了支持这一假设，我们分析了十多个不同的地球物理现象一致的内核运动占主导地位的时间尺度从几百年到几千年。
2014-02-26 physics.geo-ph
Fe alloy slurry and a compacting cumulate pile across Earth's inner-core boundary
地震观测表明，相对于初步参考地球模型，外核底部的压缩波梯度降低，内核顶部东西半球之间的地震波不对称。在这里，我们提出了一个模型的内核边界（ICB），其中浆层形成通过分离结晶的Fe合金的基础上的外核（F层）的顶部的内核（F'层）的压实累积桩。利用最近的矿物物理数据，我们表明，铁合金的分步结晶（例如，Fe-Si-O）与轻元素分配可以解释在F层中观察到的降低的速度梯度，在液体中固体分数为~15（5）%的情况下，由于优先轻元素分配到液体中而具有组成梯度。由于外核内大尺度热流的横向变化，F'层的压实堆积体在东西半球之间可能表现出厚度的横向变化，这可以解释地震速度的东西不对称性。我们的解释表明，固体铁合金的内核具有约10^23 Pa·s的高剪切粘度。
2019-04-08 physics.geo-ph
Fluid Dynamics of Earth's core: geodynamo, inner core dynamics, core formation
本章是从2018年4月在乌迪内举行的三场1.5小时的讲座中构建的，内容涉及地球核心动力学的各个方面。本章以一个关于地球磁场和地核发现的简短历史记录开始（第1节）。然后，我们转向磁流体力学的介绍（第2节），介绍和讨论感应方程和洛伦兹力的形式和影响。第三节介绍了地球磁场的球谐函数描述，并说明了球谐函数描述如何用于证明地磁场的内部起源。然后，我们将介绍地球发电机的对流驱动模型（第4节），讨论我们目前对地核动力学的理解，详细地获得自然旋转对流的临界瑞利数的Ekman依赖性，并介绍用于模拟对流驱动发电机的方程和无量纲参数。下一节讨论地球发电机的能量学（第5节）。最后两个部分涉及内核的动力学，重点是磁场的影响（第6节），并与核心的形成（第7节）。由于本章的范围很广，时间有限，对地球核心动力学的介绍决不是全面的。有关更多信息，感兴趣的读者可以参考Jones（2011），Olson（2013）或Christensen和Wicht（2015）关于地磁场和地球发电机，Sumita和Bergman（2015），Deguen（2012）以及Lasbleis和Deguen（2015）关于内核的动力学，以及Rubie等人（2015）关于核心形成。
2019-05-24 physics.geo-ph
Implication of the lopsided growth for the viscosity of Earth's inner core
地球内核有两个主要的地震特征：南北两极的各向异性和P波速度和衰减的东西不对称。如果剪切变形是由对流运动引起的，则预期各向异性。翻译作为一种重要的内核对流模式最近被提出。结合一个简单的扩散晶粒生长模型，这种机制是能够解释所观察到的地震不对称性，但不是体各向异性。因此，各向异性的来源必须在由更高的对流模式引起的剪切运动中寻找。利用混合有限差分球谐Navier-Stokes方程求解器，研究了在内核边界具有可渗透边界条件的三维球模型中平移和对流的相互作用.三个参数独立地起作用：粘性、内部加热和外核中的对流速度。我们的数值模拟表明，纯平移的优势，内核的粘度高于$10^{20}$ Pas。当粘度低于$10^{18}$ Pas时，对流运动几乎完全阻碍了平移。在这些值之间，平移和对流发展，但对流下降仅限于结晶发生的最冷半球。在另一侧，剪切几乎不存在，从而允许晶粒生长。我们建议，在我们的数值模型中观察到的平移和对流的共存导致地震的不对称性，但局部变形只在一个半球。
2012-03-21 physics.geo-ph
Thermal convection in Earth's inner core with phase change at its boundary
内核的平移，在一个半球上凝固，在另一个半球上熔化，为理解内核的半球形二分法提供了一个有希望的基础，以及在外核底部观察到的异常稳定层-F层-这可能是由内核材料的持续熔化所维持的。本文详细研究了考虑内核边界动态融化和冻结时内核热对流的动力学问题。如果内核是不稳定分层的，线性稳定性分析和数值模拟一致地表明，只有当粘度$η$足够大时，平移模式才占主导地位，具有$3 10^{18}$ Pas级的临界粘度值，取决于外核对流供应或去除熔化或凝固的潜热的能力。如果$η$较小，则融化和冻结的动力学效应较小。对流采取了更经典的形式，在发病和混乱的羽流对流在大瑞利数的单细胞轴对称模式。[...]热对流要求在内核中保持超绝热温度分布，这取决于通过传导提取内核内部热量与在ICB处冷却之间的竞争。在Stacey & Davis（2007）提出的低热导系数值下，内核热对流很可能出现，但在最近提出的高得多的热导系数下，内核几乎不可能出现热对流。然而，我们认为，形成的富铁层以上的ICB可能有一个积极的反馈内核对流：这意味着内核结晶从一个越来越富铁的液体，导致不稳定的成分分层，可能会驱动内核对流，也许即使内核是亚绝热。
2013-06-11 physics.geo-ph
Ohmic and viscous damping of inner core translational oscillations
CNES - Centre National d'Etudes Spatiales（法国国家空间研究中心）；Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, Univ. Gustave Eiffel, ISTerre（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、萨瓦-蒙布朗大学、法国国家科学研究中心、法国地球科学研究所、古斯塔夫·埃菲尔大学、ISTerre地球科学研究所）
研究通过模拟量化了地核外流体层的粘性与欧姆阻尼，发现欧姆阻尼主导，地核振荡衰减时间在数年至16年之间，表明Slichter模态可能持续数年。
2026-04-23 physics.geo-ph
Radial gradient of superionic hydrogen in Earth's inner core
Xiamen University（厦门大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
通过第一性原理计算Fe-H体系的吉布斯自由能，构建超离子-液相相图，发现固液分配主要由相对铁熔点的约化温度控制，并揭示内核中氢的径向梯度。
2026-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Two-step nucleation of the Earth's inner core
长期以来，人们一直认为地球的固体内核是在熔融铁冷却到熔点时开始生长的。然而，作为结晶的必要步骤的成核机制尚未得到很好的理解。最近的研究发现，它需要一个不切实际的过冷度来形成铁的稳定的六方密堆积（hcp）相，这在实际的地核条件下永远无法达到。这种矛盾导致了内核成核悖论[1]。在这里，使用持续胚胎方法和分子动力学模拟，我们证明了铁的亚稳态体心立方（bcc）相具有更高的成核速率比hcp相内核条件下。因此，体心立方形核可能是内核形成的第一步，而不是六方晶系相的直接形核。这一机制降低了铁形核所需的过冷度，为解决内核形核悖论提供了一个关键因素。内核的两步成核方案也为理解当前内核的结构和各向异性开辟了新的途径。
2022-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Geoneutrinos and the Earth inner parts structure
讨论了地中微子登记与地球理论检验之间的联系。比较了标准的岩石圈板块理论和氢化物地球假说。最后一个假设增加了额外的中微子源$-$行星核心，其中初始地球成分是保守的。大体积闪烁探测器应该安装在高加索的巴克桑中微子天文台INR RAS。探测器将记录所有可能的中微子通量，但主要是地球中微子。因此，放置在地球表面许多地点的探测器（或探测器网）可以测量来自$^{238}$ U和$^{232}$ Th的所有放射性，因为它们的中微子能量超过了逆β衰变反应的阈值。通过这种方法，有可能了解除了地壳和地幔之外，地球上是否还有更多的中微子源。
2010-07-15 hep-ph physics.geo-ph
Ab initio superionic-liquid phase diagram of Fe1-xOx under Earth's inner core conditions
Xiamen University（厦门大学）；Iowa State University（爱荷华州立大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
本文通过从头计算方法，在地球内核条件下构建了Fe₁₋ₓOₓ的超离子-液态相图，揭示了氧在不同铁相中形成超离子态的影响及稳定性区域。
2025-12-04 physics.geo-ph
Quantifying the effects of nickel on Earth's inner-core nucleation
Xiamen University（厦门大学）
本研究通过原子级模拟量化镍对地球内地核成核的影响，发现Fe80Ni20中bcc相成核在约250K过冷度下即可发生，镍富集、bcc相成核及化学异质性可缩小内地核成核悖论。
2026-08-28 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Formulation of a Triaxial Three-Layered Earth Rotation: I. Theory and Rotational Normal Mode Solutions
本文建立了一个三轴三层滞弹性地球自转理论，该理论考虑了各种核-幔耦合，包括外核-幔作用于内核的压力和重力耦合，外核-幔耦合以及外核-内核耦合。在此基础上，我们给出了四种转动正交模的数值解，包括Chandler摆动（CW）、自由核章动（FCN）、自由内核章动（FICN）和内核摆动（ICW）。三轴性导致CW和ICW的周期分别增加了约0.01和0.35个平均太阳日（d）。地幔滞弹性和海潮耗散是造成CW的主要原因，而对FCN的贡献很小，而粘电磁耦合耗散则是造成FCN、FICN和ICW的主要原因。通过研究不同类型的耦合，我们发现，压力耦合起着主导作用，而粘电磁或引力耦合单独或一起引起逆行FICN。另一方面，在不同的核-幔耦合条件下，ICW周期在130 d到21 a之间变化很大。
2019-01-29 physics.geo-ph
Order-Disorder in Fe-Si Alloys: Implications for Seismic and Transport Properties of Earth's Inner Core
Carnegie Institution for Science（卡内基科学研究所）
铁硅合金在高压高温下呈现序-无序现象，其结构和输运性质影响地球内核的地震各向异性与热演化。
2026-10-23 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Ab initio melting temperatures of bcc and hcp iron under the Earth's inner core condition
关于地球内核条件下铁的稳定相存在着长期的争论。由于内核边界处的固液共存，固相的热力学稳定性与其熔化温度直接相关，这仍然存在很大的不确定性。在本研究中，我们利用一个半经验势拟合到高温从头算数据进行热力学积分从经典系统描述的潜力从头算系统。该方法为热力学积分提供了一条平滑的路径，并显著降低了有限尺寸效应引起的不确定性。结果表明，在铁的内核条件下，hcp相是纯铁的稳定相，而在熔化温度附近，hcp相和bcc相的自由能差很小，约为10 s meV/atom.
2023-03-10 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Evolution of the inner core of the earth: consequences for geodynamo
利用地核演化模型和日长观测，考虑了无量纲地球发电机参数的变化。演化模型包括冷却的液体绝热核心，增长的固体核心，并在核心的外部与亚绝热温度梯度的区域。该模型涵盖了过去4.5Ga到未来1.5Gy的时间段，给出了热对流和成分对流的能源演化以及对流带的空间尺度。这些量用于Ekman、Rayleigh和罗斯贝数估计。到目前为止，这些数字决定了地磁场的产生机制，我们讨论了地球演化过程中地磁场的演化。
2019-05-22 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The particle-in-cell model for ab initio thermodynamics: implications for the elastic anisotropy of the Earth's inner core
我们评估的定量准确性的粒子在细胞（PIC）近似在最近的从头计算预测的热力学性质的六方密堆积铁在地球的内核的条件。评估是通过比较PIC预测的热力学性质的范围与更精确的计算，避免PIC近似的结果。它表明，PIC给出了非常准确的结果，某些属性，但它给出了一个不正确的处理非谐晶格振动。此外，我们的评估不支持最近PIC为基础的预测，六方C/A的比例随着温度的升高而强烈增加，我们指出，这使人怀疑提出的重新解释的弹性各向异性的内核。
2003-08-29 physics.comp-ph physics.geo-ph
The Fe-Ni phase diagram and the Earth's inner core structure
本文通过从头算模拟构建 Fe-Ni 合金相图，揭示镍对地球内核结构的显著影响，并提出内核边界 bcc-液态共存及内核内部 bcc-hcp 多层结构的新图景。
2025-09-20 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Short-range order stabilizes a cubic Fe alloy in Earth's inner core
本研究通过深度学习辅助的混合蒙特卡罗模拟，测定内核边界压力下Fe-Si合金的相图和声速，发现硅原子短程有序稳定bcc相，且该固溶体能更好解释内核的关键地球物理特征。
2024-09-12 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Melting Temperature of Iron Under the Earth's Inner Core Condition from Deep Machine Learning
本研究开发包含电子熵贡献的铁深度势能模型，通过热力学积分与固液共存模拟预测内核边界熔化温度，解决了与ab initio计算的差异，为后续多元素势能模型奠定基础。
2024-04-27 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Experimental evidence of a body centered cubic iron at the Earth's core condition
地球内核中铁的晶体结构仍然存在争议。最近的实验表明，六方密堆积（hcp）相。在模拟中，人们普遍认为hcp-Fe在内核压力和相对较低的温度下是稳定的。然而，在高温下，一些研究表明在内核条件下存在体心立方（bcc）相。我们在激光加热的金刚石池中，用微观结构分析和$\textit{in-situ}$ x射线衍射相结合的方法，研究了铁在200万大气压以上（> 200 GPa）和5000 K以上高温下的晶体结构。实验证据表明，在堆芯压力和高温下出现bcc-Fe，在压力-温度空间中从约95 $\pm$ 2GPa和2986 $\pm$ 79 K到至少222 $\pm$ 6 GPa和4192 $\pm$ 104 K的hcp-bcc转变线。的稳定性场的趋势意味着一个稳定的bcc-铁在地球的内核的条件下，包括解释地球的内核的地震各向异性的强有力的候选人的影响。
2018-04-13 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Ab initio determination on the thermal evolution of the Earth's core
地球的磁场是由液态的外核产生的，并且敏感地取决于内核的热导系数。地球核心的主要成分是铁和镍。然而，目前对FeNi混合物的估计以前没有在高压下进行过测试。在本文中，从头计算模拟首次应用于计算的FeNi混合物在地球的外核条件下的热导率和电导率。与纯Fe相比，Ni的加入降低了外核沿绝热曲线的热导系数（平均为12.30 W/m/K）。根据熵产生率或焦耳损失的限制，Ni的存在使内核的年龄减小。当核幔边界热流为12 TW时，内核的年龄为0.66 Ga（纯Fe）和0.67 Ga（FeNi混合物）。与此相反，我们观察到，镍减少了外核的热分层的厚度，通过分析有效的温度梯度。内核凝固后，当核幔边界冷却速率为126 K/Ga时，纯Fe的热分层厚度为417.02 km，FeNi混合物的热分层厚度为320.12 km。
2020-10-12 physics.geo-ph
Multiscale model of global inner-core anisotropy induced by hcp-alloy plasticity
$\bullet$由六方晶系合金变形产生的内核各向异性的多尺度模型$\bullet$ 5 - 20%的单晶弹性各向异性和由锥体滑移产生的塑性形变$\bullet$在赤道处结晶更快的低度内核形成模型地球的固体内核表现出几倍的全球地震各向异性。它是由各向异性的铁合金晶体通过内核历史的相干排列而产生的，这些历史可以通过当今的地震观测来采样。通过结合自洽多晶体塑性，内核形成模型，蒙特卡罗搜索弹性模量，和模拟地震测量，我们引入了一个多尺度模型，可以再现全球地震各向异性的几个平行于地球的旋转轴。一个成功的模型的条件是一个六角密排结构的内核铁合金，塑性形变的金字塔\textless{} c+ \textgreater{}滑移，和大规模的流动引起的低度内核形成模型。对于范围在1%和3%之间的全局各向异性，在单晶中的弹性各向异性的范围从5%到20%，沿着c轴具有较大的速度。
2016-01-21 physics.geo-ph
High-pressure behavior of the Fe-S system and composition of the Earth's inner core
利用进化晶体结构预测算法USPEX，我们确定了Fe-S体系中在100-400 GPa压力范围内稳定化合物的组成和晶体结构。我们发现，在地球固体内核的压力（330-364 GPa）下，两种化合物是稳定的-Fe 2S和FeS。在与铁平衡时，只有Fe 2S可以存在于内核中。利用Fe_2S的状态方程，我们发现，为了通过单独添加硫来再现内核的密度，10.6- 13.7mol.%（6.4-8.4重量%）需要硫磺。硅的类似计算（其中在内核压力下唯一稳定的化合物是FeSi）再现了内核的密度为9.0-11.8摩尔%。（4.8-6.3重量%）硅。在这两种情况下，内核的平均原子质量M在52.6-53.3范围内，这比根据伯奇定律确定的内核的M = 49.3高得多。对于氧（其中在内核的条件下相关的稳定氧化物是Fe 2 O），我们发现匹配浓度在13.2-17.2摩尔%的范围内（4.2-5.6重量%），其对应于范围为49.0-50.6的M。结合我们的结果和前人的工作，我们发现内核密度和M可以用四种模型来解释（原子%）：（a）86%（Fe+Ni）+14%C，（b）84%（Fe+Ni）+16%O，（c）84%（Fe+Ni）+7%S +9%H，（d）85%（Fe+Ni）+6%Si +9%H，以及它们的一些线性组合（主要是模型（c）和（d））。
2017-06-09 physics.chem-ph physics.geo-ph
Melting of iron close to Earth's inner core boundary conditions and beyond
一些重要的地球物理特征，如核幔边界的热通量或地球发电机的产生与地球核心的温度剖面密切相关。然而，在相当于地球内核边界的条件下，在330 GPa的压力下测量铁的熔化曲线已经困扰了科学家几十年。以前报道的铁在高压下熔化温度的显着差异引起了动态测量的有效性的问题。我们报告的测量与一种新的方法，使用X射线吸收光谱，使用X射线自由电子激光源耦合到激光冲击实验。我们确定的状态，铁沿冲击Hugoniot高达420 GPa（+/- 50）和10800 K（+/- 1390），并找到一个上限的铁的熔化曲线，通过检测固体铁在130 GPa和熔融在260，380和420 GPa沿冲击Hugoniot。我们的研究结果建立明确的协议之间的动态测量和最近从静态数据的外推，从而解决了长期存在的争议的可靠性，使用动态压缩研究铁的熔化在接近地球的内核边界和超越的条件。
2014-11-08 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Unveiling the effect of Ni on the formation and structure of Earth's inner core
本研究利用 ab initio 分子动力学模拟揭示 Ni 在内核压力下稳定 bcc 相、提高熔点并加速 Fe 结晶，表明其显著影响地球内核结构与形成。
2023-09-22 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
A New Global Theory of the Earth's Dynamics : a Single Cause Can Explain All the Geophysical and Geological Phenomena
本文在描述了与现行板块构造理论相关的所有矛盾之后，提出了一个单一原因可以解释所有地球物理和地质现象的模型。地球活动的根源在于地幔和固体内核的角速度之差。两个球体之间的摩擦产生热量，这是构成大部分液态外核的熔融铁的原因，也是全球热流的来源。固体内核的角速度应该保持稳定，而地幔的角速度取决于陀螺力（包括加速度）和由于外部吸引力而减慢，主要是2900公里厚的地幔板块的运动。因此，地磁场的变化是地幔相对于内核的角速度变化的直接结果。因此，地质时代的生物和构造演化都是由于这些现象。因此，纪元的极限正好与地磁场的零通道相吻合。在这里，我们展示了大约2.3亿至2.5亿年的周期，这些周期表现出地幔角速度变化、地磁变化和气候之间的相关性，使我们能够预测未来的事件：当前全球变暖与地球磁场减少平行。
2005-02-24 physics.geo-ph
Ohmic dissipation in the Earth's outer core resulting from the free inner core nutation
昼夜引潮力可以激发地核的正交模，即自由内核章动（FICN），其特征在于内核的旋转轴相对于外核的旋转轴的倾斜。内核和外核之间的差速旋转引起外核中的流体运动，并在地球内部磁场存在的情况下引起欧姆耗散。章动测量可以反映这种耗散，如果它是足够强大的，从而可以提供洞察地球的核心的属性和动态。在这项研究中，我们进行了一组数值计算的线性扰动的外核诱导的FICN在非常低的埃克曼数（小到$10^{-11}$）。数值结果表明，磁场的反作用显著地改变了FICN引起的微扰的结构和长度尺度，从而影响了微扰引起的欧姆耗散.当埃克曼数足够小时，欧姆耗散往往对流体粘度和磁扩散率不敏感，这使得我们能够在不依赖于外推的情况下估计与FICN相关的欧姆耗散。与Buffett（2010 b）的结果相反，基于我们的数值计算估计的欧姆耗散太弱，无法解释FICN模式的观察到的阻尼。这也意味着章动测量不能对地球外核内的磁场强度提供有效的约束。
2019-10-05 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Earth and Mars -- distinct inner Solar System products
类地行星的组成记录了行星吸积、核幔和壳幔分异以及表面过程。在这里，我们比较了地球和火星的成分模型，以揭示它们的特征和形成过程。地球和火星同样富含难熔元素（1.9 $\times$ CI），尽管地球比火星更易挥发，氧化程度更低。它们的化学成分是由星云分馏确定的，中度挥发性元素的后增生损失贡献可以忽略不计。行星挥发性元素耗尽的程度可能与吸积物质中球粒的丰度、行星的大小及其吸积时间尺度有关，这为水星、金星、形成月球的巨大撞击物和原地球的组成和起源提供了见解。在星云盘的形成前后，地球可能比火星和南极小行星吸积了更多的球粒和更少的矩阵状物质，从而建立了其显著的挥发性耗尽。一个氧化的，分化的火星样的巨大影响（即，在月球上形成的碎片环（主要是由原地球的地幔组成），是一个挥发性物质耗尽、还原的原地球。类火星撞击物加入的硅酸盐地球中的亲铜和亲铁元素被硫化物熔体萃取到地核中。相比之下，火星的组成表明它在几乎均匀的氧化条件下快速吸积少量的球粒。火星的快速冷却和早期发电机的损失可能导致了板块构造和地表水的缺乏，以及现在的低表面热通量。地球和火星之间的这些相似之处和不同之处使得前者适合居住，而另一个则不适合居住。
2021-02-02 astro-ph.EP physics.geo-ph
Surface atmospheric pressure excitation of the translational mode of the inner core
利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国国家环境预报中心（NCEP）气候预报系统再分析（CFSR）模式的逐时地面气压场，我们证明了大气气压波动激发了地球表面内核的平移振荡，即所谓的Slichter模式。计算是使用正常模式的形式主义的球形，自引力滞弹性PREM类地球模型。我们确定的统计响应的形式的功率谱密度的度一球谐分量的观测压力场。考虑了海洋附应对气压强迫的反演和非反演气压计假设。基于先前计算的噪声水平，我们表明，表面激发振幅低于超导重力仪的检测极限，使Slichter模式检测在不久的将来具有挑战性的仪器任务。
2014-01-10 physics.geo-ph
Earth's Inner Core dynamics induced by the Lorentz force
地震研究表明，地球的内核具有复杂的结构，并表现出很强的弹性各向异性与圆柱对称性。在已经提出来解释这种各向异性的各种模型中，一类模型考虑了与在内核内扩散的磁场相关联的洛伦兹力的影响。在本文中，我们扩展了以前的研究，并使用解析计算和数值模拟来预测的几何形状和强度的诱导流的极向分量的洛伦兹力在中性或稳定分层增长的内核，探索也不同类型的边界条件在内核边界（ICB）的效果。与以前的研究不同，我们表明，边界条件，最有可能产生显着的变形和地震各向异性是不可渗透的，通过边界的径向流可以忽略不计。精确的解析解被发现的情况下，浮力的影响可以忽略不计的内核（中性分层），而数值模拟被用来调查的情况下，稳定的分层。在这种情况下，由洛伦兹力引起的流动被发现是局部化在ICB下面的剪切层中，该剪切层的厚度取决于分层的强度，但不取决于磁场强度。我们得到的比例律的厚度，以及在这个剪切层的流动速度和应变率作为控制参数的函数，其中包括磁场的大小，密度分层的强度，内核的粘度，和内核的增长率。我们发现，除非内核粘度小于约$10^{12}$ Pa. s，否则所得的应变速率可能太小而不能产生显著的织构。
2015-06-08 physics.class-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Origin of superionic state in Earth's inner core
Pohang University of Science and Technology（韩国科学技术院）；Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR)（高压科学和技术先进研究中心）；Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences（中国科学院地球化学研究所）
通过第一性原理计算，发现电子化物形成驱动铁氢化物在地球内核压力下进入超离子态，稳定铁晶格并促进挥发分扩散，为类地行星核形成与演化提供新见解。
2023-06-13 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Satellite observations reveal shorter periodic inner core oscillation
研究利用卫星大地测量数据从引力场Stokes系数中探测到约6年的内核振荡，其与地球日长变化信号相位相关，受控于内核与下地幔LLVPs的引力耦合，独立证实了内核存在比先前更短周期的振荡。
2025-10-14 physics.geo-ph
Thermal and electrical conductivity of iron at Earth's core conditions
地球就像一个巨大的热机，由放射性同位素的衰变和缓慢的冷却驱动，从而引起板块构造、火山和造山运动。另一个关键产物是地磁场，它是由一台发电机在液态铁核中产生的，发电机靠冷却和冻结释放的热量来生长固态内核，并靠冻结时从液体中排出的轻元素产生的化学对流来运转。提供给地球发电机的能量，通过核幔边界（CMB）的热通量来测量，对地球的演化产生了限制。宇宙微波背景辐射热通量的估计取决于堆芯中铁混合物在极端压力和温度条件下的性质，最关键的是导热率和电导率。由于实验和理论上的固有困难，这些量仍然知之甚少。在这里，我们使用密度泛函理论计算这些电导率在液态铁混合物在核心条件下的第一原理-第一个直接计算的值，不依赖于估计的基础上推断。Fe、O、S和Si的混合物取自早期的工作，并符合地震学确定的核心密度和内核边界密度跳跃。我们发现这两种电导率都比目前使用的估计值高2-3倍。这些变化是如此之大，以至于必须重新评估堆芯的热历史和功率需求。新的绝热热通量估计值在CMB处为15-16 TW，高于目前基于地幔对流对CMB热通量的估计值;地核顶部必须是热分层的，上部地核中的任何对流都是由化学对流驱动的，以对抗CMB热流中不利的热浮力或横向变化。地球发电机的能量受到很大的限制，未来的地幔演化模型必须包含高CMB热通量，并解释最近形成的内核。
2012-03-22 physics.geo-ph
Density deficit of the Earth's core revealed by a multi-megabar primary pressure scale
本文通过联合测量铼的声速和密度建立多兆巴原级压力标尺，发现旧标尺在230吉帕高估压力至少20%，从而推断地球内核轻元素含量可能翻倍或温度更高。
2024-07-01 astro-ph.EP physics.geo-ph
A Model for Generating Relativistic Electrons in the Earth's Inner Magnetosphere Based on Gyroresonant Wave-Particle Interactions
在磁暴的恢复阶段，内磁层（$3\le L \le 6$）中的相对论性（$>1$ MeV）电子通量增加到超过磁暴前的水平，在磁暴开始后约4天达到峰值。为了解释这些“杀手电子”的产生，提出了一个主要基于增强哨声模式合唱的电子随机加速的模型。在一个准线性的配方，动力学（福克-普朗克）方程的电子能量分布的推导，包括基于回旋共振电子哨声模式波相互作用和平行波传播的能量扩散系数;一个源项表示亚暴产生的（低能量）种子电子;和一个损失项表示电子沉淀由于俯仰角散射哨声模式波和EMIC波。稳态解的电子能量分布的构造，并拟合到一个victially推导出的相对论麦克斯韦分布的高能量的“硬”电子人口在地球同步轨道。该机制预计将是特别有效的一类小型和中型风暴拥有一个长期的恢复阶段，在此期间，许多亚暴发生。
1999-10-13 physics.geo-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Tetragonal Fe2O: the stable iron oxide at Earth's core conditions
Xiamen University（厦门大学）；Iowa State University（爱荷华州立大学）；The University of Hong Kong（香港大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
研究发现四方Fe2O在地球核心条件下稳定，可能改变对核心组成和结构的理解。
2025-12-03 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Spectrometry of the Earth using Neutrino Oscillations
地球内部的未知成分激发了人类的想象力，推动了科学探索。我们在这里证明，大型中微子探测器可以在不久的将来，以显着提高我们的地球内部的化学成分的理解。中微子是在大气中自然产生的，它穿过地球并经历取决于地球电子密度的振荡。地球的化学成分可以通过将大型中微子探测器的观测结果与地球物质密度的地震测量相结合来确定。我们提出了一种方法，使我们能够执行的测量，可以区分的组成模型的外核。我们表明，下一代大体积中微子探测器可以提供足够的灵敏度，拒绝外核模型与大的氢含量，从而证明了这种新方法的潜力。在未来，专用仪器可能能够区分特定的地球组成模型，从而以以前无法想象的方式重塑我们对地球内部的理解。
2015-02-17 astro-ph.EP hep-ph physics.geo-ph
Satellite gravity constraints on inner core viscosity and LLVPs density anomalies
Wuhan University（武汉大学）；Imperial College London（伦敦帝国学院）
通过卫星重力观测与地球自转变化联合分析，约束内核粘度约4.6×10^16 Pa·s及LLVPs底部密度异常约+5.5‰。
2026-06-08 astro-ph.EP physics.geo-ph
Recovery of 150-250 MeV Cosmic Ray Proton Intensities Between 2004-2010 as Measured Near the Earth, at Voyager 2 and also in the Heliosheath at Voyager 1 - A Two Zone Heliosphere
在2004年至2010年的第23个太阳活动周期中，利用IMP、ACE和气球数据，在地球上跟踪了能量约为150-250 MeV/nuc的宇宙射线质子的恢复，还在74-92 AU之间的V2和日光层终止激波之外的V1（91-113 AU）跟踪了宇宙射线质子的恢复。在这段时间内，地球和V1的强度之间的相关系数为0.936，由于太阳风从地球传播到外日球层的传播时间，允许约0.9年的延迟。为了描述这些强度的变化，并预测在所有三个位置测量的绝对强度，我们使用了一个简单的球对称（无漂移）两区日光层传输模型与特定值的扩散系数在内部和外部区域。外区的扩散系数约为90 ~ 120（130）AU，比内区的扩散系数小约5-10倍，最大可达90 AU。这意味着，在这个模型中，外部区域的作用很像扩散屏障。在2004-2010年期间，V1和地球上的强度和强度变化的绝对星等被描述为在百分之几以内的扩散系数，该系数随时间变化，在内部区域为~4倍，在外部区域仅为~1.8（1.25）倍。这些扩散系数和它们的变化基本上是相同的那些来自早期的类似研究，使用相同的能量的He核。该模型和所使用的扩散系数提供了2009年地球~250 MV的总调制潜力。在V2处的计算强度和观测强度之间的差异约为10-20%，可以解释为如果日光层在距离上被压缩了约10%（非球形），使得HTS在V2方向上比V1方向更接近太阳。
2011-11-01 physics.geo-ph physics.space-ph
Can a convecting magma ocean offer a solution to the puzzling case of core convection in early earth?
针对早期地球磁场存在时间与内核年龄不匹配的谜题，通过数值模拟探究地幔底部岩浆洋与稳定地核的耦合对流，发现岩浆洋可驱动地核产生强度相当的流动，或能解释内核形成前的早期发电机效应。
2025-07-30 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Electronic correlations and transport in iron at Earth's core conditions
地球内核条件下的铁的传输特性是地球物理建模的基本输入，但实验约束很差。在这里，我们表明，在这些条件下的铁的热导率和电导率仍然很高，即使电子-电子散射（EES）是适当考虑。这一结果是通过从头计算模拟，同时考虑到一贯的热无序和电子相关性。热无序抑制了体心立方铁相的非费米液体行为，因此降低了EES;该相的总计算热导率为220 Wm $^{-1}$ K $^{-1}$，EES降低不超过20%。EES和电子晶格散射交织在一起，导致随着EES的增加而打破Matthiessen规则。在六方密堆积铁的EES也没有增加热无序，仍然很弱。因此，我们的主要发现适用于内核中两种可能的铁相。
2020-08-14 cond-mat.str-el physics.geo-ph
Recovery of 150-250 MeV/nuc Cosmic Ray Helium Nuclei Intensities Between 2004-2010 Near the Earth, at Voyager 2 and Voyager 1 in the Heliosheath - A Two Zone Helioshpere
在2004 - 2010年的第23个太阳活动周，利用IMP和ACE数据在地球、74 - 92 AU之间的V2和日光层终止激波（91 - 113 AU）之外的V1观测了能量为~150 - 250 MeV/nuc的宇宙线He核的恢复。考虑到太阳风从地球向外日球层的传播时间，在这段时间内地球和V1的强度之间的相关系数是显著的（0.921）。为了描述强度的变化，并预测在所有三个位置测量的绝对强度，我们使用了一个简单的球对称（无漂移）两区日光层传输模型与特定值的扩散系数在内部和外部区域。外区的扩散系数被认为是从90到120（130）AU的日鞘，被确定为比90 AU外的内区小约5倍。这意味着日鞘在这个模型中的作用很像一个扩散屏障。在V1和地球上的强度和强度变化的绝对幅度被描述为在几个百分点内的扩散系数，随着时间的变化，在2004 - 2010年的时间段内，在内部区域的因子约为4，在外部区域仅为1.5。对于V2，观察到的强度遵循一条曲线，该曲线比V2半径处的计算强度高25%，并且有时观察到的V2强度等于V1处的强度。如果日光层在距离上被压缩了约10%（非球形），那么V1和V2之间的计算强度和观测强度之间的差异至少有一半可以解释，因此与V1相比，HTS位置在V2方向上更接近太阳。
2011-09-08 physics.geo-ph physics.space-ph
A regime diagram for the slurry F-layer at the base of Earth's outer core
在地球外核底部的P波速度减慢的地震观测表明存在一个被称为F层的稳定分层区域。这就提出了一个重要的问题：驱动地球发电机的轻元素如何能够穿过稳定分层而不干扰它？我们认为F层是一种含有分散在液态铁合金中的固体颗粒的浆液，这些颗粒在重力作用下向内核方向移动。我们提出了一个制度图，显示了如何改变关键参数时，浆料F-层的动态变化：佩克莱数（$Pe$），平流和化学扩散之间的比率;斯特凡数（$St$），显热和潜热之间的比率;和路易斯数（$Le$），热扩散和化学扩散之间的比率。我们得到了四个政权对应的稳定，部分稳定，不稳定和无浆料。没有浆料被发现时，在该层的底部的热流超过在顶部的热流，而稳定分层的浆料出现时，平流克服热扩散（$Pe \gtrsim Le$），存在于一个广泛的参数有关的地球的核心。我们的研究结果估计，一个稳定分层的F-层给出了一个最大的内核边界（ICB）体波密度跳跃的$Δρ_\textrm{bod} \leq 534 \ \mathrm{kg} \mathrm{m}^{-3}$是兼容的低端的地震观测，其中$280 \leq Δρ_\textrm{bod} \leq 1,100 \ \mathrm{kg} \mathrm{m}^{-3}$在文献中报道。在高热导系数的情况下，该模型预测的内核年龄介于$0.6$和$1.2 \ \mathrm{Ga}$之间，这与其他内核演化模型一致。我们的研究…
2020-12-14 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermal and magnetic evolution of an Earth-like planet with a basal magma ocean
本文耦合模拟类地行星的地核、底部岩浆洋与地幔演化，评估两者热成分对流及发电机条件，发现早期可由短暂底部岩浆洋发电机过渡到地核发电机，并约束相关电导率与热导率。
2024-09-09 astro-ph.EP physics.geo-ph
Distribution of U and Th and Their Nuclear Fission in the Outer Core of the Earth and Their effects on the Geodynamics
本文提出地球外核中存在大量的产热元素U和Th。它们释放的热量可能是驱动地球内部物质运动（包括板块运动）的主要能源。根据地震层析成像，最热的区域是中太平洋下的地幔。结合地磁资料，得出了磁对流中心和热对流中心偏离地理中心向太平洋方向偏移400 km的结论。因此，在中太平洋下外核靠近赤道的位置，U、Th可能更为富集，并在那里形成了一个大的U、Th富集中心。另一个小的富铀、钍中心可能位于非洲下面较低的外核中靠近赤道的位置，它与固体内核后面的大的富铀、钍中心正相对。这两个富含铀、钍的中心可能导致了太平洋和非洲超级地幔柱的形成，并为板块构造系统的运行提供了能量。也可能导致内核西半球的温度高于东半球的温度，这可能是造成内核东西半球弹性各向异性的原因。在地球地质历史中，外核中U和Th的周期性核裂变可能发生过，也可能触发过地磁超时和反转。同时，这些事件中从外核释放的能量也可能引发了强烈而广泛的全球地质和火山活动，并造成地表的大规模喷发。
2009-05-11 astro-ph.EP physics.chem-ph physics.geo-ph
The core-mantle mode of gravitational oscillation
University of Alberta（阿尔伯塔大学）
本研究揭示一种新的地核-地幔引力振荡模态（CMG），其周期约40-100年，可能共振放大流体核驱动的日长多年代变化。
2026-09-15 astro-ph.EP physics.geo-ph
Tomography of the Earth's Core Using Supernova Neutrinos
我们研究了利用未来银河系超新星爆炸产生的中微子对地核进行中微子振荡层析成像的可能性。我们建议使用现有的或计划中的探测器，从而获得额外的回报。假设所有讨论的不确定性都能像预期的那样减少，我们发现地球内核和外核的平均物质密度可以用与地球物理学竞争的精度测量。然而，由于地震波对物质密度跳跃比平均物质密度更敏感，中微子物理学将提供部分补充信息。
2003-02-05 astro-ph hep-ph physics.geo-ph
Interior structure of Mars and other rock-and-iron planetary bodies
这里展示了如何通过使用岩石密度和地球已知的核心密度的某些方面以及使用富铁核心的对流原理来找到各种岩石和铁行星体的内部结构。对流使核心流体内部的密度和温度梯度最小化。如果在核-幔边界处，核流体的密度接近纯铁熔化密度，并且在内核边界处，密度对于富铁熔化物具有可能的最小值，则可以实现这一点。对于纯铁和具有最大轻杂质的铁的临界铁密度先前利用具有最可靠的实验标度的朗道一级相变理论获得。行星的内部密度是通过在小的径向步长中迭代计算重力和压力而得到的。转动惯量因素也计算和同意的机构，我们有准确的测量：月球，火星和水星。此外，还对系外行星Kepler-78 b、K2- 229 b和Kepler-10 b进行了计算。它们的核心都有富含铁的液体。较轻的太阳系天体没有内核，但最重的两颗系外行星在内核内有一个纯铁最内层的内核。计算了半径-质量平面内增长的内核的参数范围。随着内核的生长而产生的磁场保护着地球上的生命，对系外行星也是如此。这指导了在寻找生命的过程中选择系外行星进行研究。
2018-11-22 astro-ph.EP physics.geo-ph
