Rapid Variations of Earth's Core Magnetic Field
地球核心磁场快速变化的证据在地磁观测和卫星记录中都可以看到。在这里，我们介绍了它们是如何从地面观测记录中在地球表面被识别出来的，以及它们的时空结构是如何被卫星数据所表征的。它示出了如何通过本地化和全球建模过程中提取的核幔边界的属性，特别注意他们的时间尺度。最后，列出了液体外核中可能存在的波的类型，以及它们的主要性质，这些性质可能引起这些观测到的快速变化。
2022-01-14 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
Seismic hemispheric asymmetry induced by Earth's inner core decentering
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存在着来自这一基本结构的几种扰动。它们中的一些位于内核边界（ICB）附近。记录最好的扰动之一是内核（ATIC）顶部的不对称性，其特征是东半球的地震波速度比西半球快。所有现有的解释都是基于内核内ICB附近物质性质的半球变化。利用地震射线传播的数值模拟，我们表明，ATIC也可以解释为位移的内核向东在赤道平面几十公里，从地球的中心，而不修改在上部内核的球对称性。在内核顶部和外核底部观察到的其他半球不对称性也支持了移位的内核的假设。一个移位的内核将对地球内部的许多机械、热和磁现象产生重大影响。
2011-11-04 physics.geo-ph
Detection of Phase Jumps of Free Core Nutation of the Earth and their Concurrence with Geomagnetic Jerks
利用1984-2003年的VLBI观测数据，利用加权小波Z变换（WWZ）方法和加博函数短时周期图（SPG）方法，直接检测了地球自由核章动（FCN）的相位跳变。在此期间，FCN在1992年和1998年发生了两次重大的阶段性跳跃。这些时期与报告的地磁急动的发生相吻合。
2004-08-05 physics.geo-ph
Shear softening of Earth's inner core indicated by its high Poisson's ratio and elastic anisotropy
地球的内核表现出异常高的泊松比和明显的弹性各向异性。造成这些特征的机制对于理解地球的演化至关重要，但仍不清楚。这项研究表明，一旦使用正确的剪切模量公式，剪切软化可以同时解释高泊松比和强各向异性的内核。体心立方（bcc）铁在内核中发现的压力下显示出剪切不稳定性，并且可以通过温度和轻元素动态稳定。轻元素的某些组合很可能使体心立方铁合金在内核条件下稳定。这种体心立方相将表现出显著的剪切软化，并与内核的地球物理约束相匹配。确定哪些轻元素以及这些元素的浓度使体心立方相稳定，将提供关于内核轻元素的关键信息。
2016-11-01 physics.geo-ph
Earth's chondritic Th/U: negligible fractionation during accretion, core formation, and crust - mantle differentiation
钾（K）、钍（Th）和铀（U）的放射性衰变为地球的引擎提供动力，232 Th/238 U的变化记录了行星分化、大气氧化和生物介导的过程。我们报告了数千个$^{232}$ Th/ $^{238}$ U（$κ$）和时间积分Pb同位素（$κ$ $_{Pb}$）值，并评估了地球、地核和硅酸盐地球的比值。互补的块状硅酸盐土域（即，大陆地壳$κ_{Pb}^{CC}$ = 3.94 $^{+0.20}_{-0.11}$和现代地幔$κ_{Pb}^{MM}$ = 3.87 $^{+0.15}_{-0.07}$）分别紧紧地包围了太阳系初始值$κ_{Pb}^{SS}$ = 3.890 $\pm$ 0.015。这些发现揭示了块状硅酸盐地球的$κ$ $_{Pb}^{BSE}$是3.90 $^{+0.13}_{-0.07}$（或Th/U = 3.77的质量比），这解决了关于地球Th/U值的长期争论。我们进行了蒙特卡罗模拟计算的$κ_{Pb}$的BSE和散装地球的范围内的U浓度的核心（从0到10纳克/克）。我们的结果与$κ$ $_{Pb}^{SS}$的比较限制了核心中可用的U和Th预算。可忽略的Th/U分馏伴随着吸积、地核形成和壳幔分异，微量的这些元素（重量为0.07 ppb，相当于0.014 TW的放射成因功率）被添加到地核中，并不为地球发电机提供动力。
2018-01-18 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
Chemical basis of deep-Earth physics: Emphasis on the core-mantle boundary D''
目前关于地球内部的流行观点几乎完全是在物理学的基础上发展起来的。本着联合国指定2011年为国际化学年的精神，我统一了660公里深度以下地球物质的化学和物理推论。我涉及的基本质量比的关系，该地区的内部部分与相应的顽火辉石球粒陨石部分，提供了一个定量的基础，了解“地震粗糙”的问题，在核心地幔边界，D”，所产生的地球核心沉淀物，“核心漂浮物”，CaS和MgS。笔者认为超低速带由CaS组成。
2011-01-26 physics.geo-ph physics.pop-ph
Magnetostrophic MRI in the Earth's Outer Core
我们表明，一个简单的，修改后的版本的磁旋转不稳定性（MRI）可以开发在地球的外液核，在存在的背景剪切。它需要热成风，或一个主要的不稳定性，如对流，以驱动核心内的弱差异旋转。地核中的力平衡与MRI的经典天体物理学应用（如恒星周围的气体盘）非常不同。在这里，地球核心的弱差异旋转通过与行星更大的旋转速率的建设性相互作用产生不稳定性。由此产生的不稳定机制刚好足以抵消稳定电阻效应，并在有趣的时间尺度上产生增长。我们给出了一个简单的物理解释的不稳定性，并表明，它依赖于一个力的平衡适当的地球的核心，称为磁旋平衡。
2009-01-09 astro-ph.EP physics.geo-ph
Oldhamite: a new link in mantle for C-O-S-Ca cycles and an indicator for planetary habitability
本研究首次报道了地幔条件下oldhamite的形成机制，发现其氧逸度比太阳星云机制高6个数量级，并指出oldhamite的广泛存在可作为行星缺氧不宜居的指示器。
2023-10-13 astro-ph.EP physics.geo-ph
The fate of liquids trapped during the Earth's inner core growth
内核的生长历史与地球的热历史有着内在的联系。内核的结晶可能由于过冷而被延迟，并且在通过成核屏障之后经历了快速生长的初始阶段，但是到目前为止，还没有证据或约束来提出这种可能事件的时间。利用两相流动力学，我们探讨了不同的增长方案的内核的效果，以确定其对液体部分结构的影响。目前对内核内熔体部分的地震观测将孔隙度限制在最大10%的液体。我们的模型提供了限制成核的延迟相比，第一个晶体可能已经开始成核的时间，我们发现，过冷不能超过100 K。
2019-12-27 physics.geo-ph
Understanding the two-step nucleation of iron at Earth's inner core conditions: a comparative molecular dynamics study
本研究利用两种原子间势的分子动力学模拟，发现在地球内核条件下铁的亚稳态bcc相成核率显著高于hcp相，从而大幅降低成核过冷阈值，验证了铁两步成核机制的普遍性。
2025-03-20 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
Fast Quasi-Geostrophic Magneto-Coriolis Modes in the Earth's core
地球磁场的快速变化可以用无粘和无扩散的准地转的（QG）磁科里奥利模来解释。我们提出了一个混合QG模型与柱状流和三维磁场，并找到模式的周期为几年的参数相关的地球核心。对于简单的极向磁场，我们认为在这里，他们显示出在赤道地区的动能和磁能的本地化。赤道附近的能量集中和高频率使它们成为解释最近地磁场观测中观察到的类似特征的合理机制。我们的模型可能开辟了一条途径，以探测地球的外核，否则无法访问的磁场结构。
2021-02-23 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Electrical Conductivity of Iron in Earth's Core from Microscopic Ohm's Law
了解铁在高温高压下的电子输运性质对于约束地球物理过程至关重要。在地核条件下可靠地测量这些特性的困难要求能够支持诊断的复杂理论方法。我们目前的结果的电导率的压力和温度范围内发现在地球的核心从模拟微观欧姆定律使用时间相关的密度泛函理论。我们的预测为解决最近实验中的差异提供了新的视角。
2022-03-11 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Empiric Models of the Earth's Free Core Nutation
自由核章动（FCN）是限制地球自转轴运动在天球坐标系中建模精度的主要因素。已经提出了几种FCN模型。对已有的模型进行了比较分析，包括作者提出的模型。使用的FCN模型，大大提高了地球自转的建模精度。此外，从观测到的地球自转轴运动中提取的FCN分量是研究地核形状和自转的重要来源。不同FCN模型的比较表明，该模型是优于其他模型，如果用来提取地球物理信号（FCN的振幅和相位）从观测数据。
2009-08-13 astro-ph.EP 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
The Subgrid Problem of the Thermal Convection in the Earth's Liquid Core
本文研究了地球液核中的湍流热对流问题。在假设由于快速旋转而导致空间尺度减小的情况下，我们提出了用于大尺度模型的涡动扩散率亚网格模型。这种方法使得有可能模拟现实的制度与小埃克曼和罗斯比数（$E\sim 10^{-14}$，$R_o \sim 10^{-8}$）和足够大的瑞利数$R_a \sim 10^{12}$。得到的平均动能的估计值与观测值相当。该模型包括由于粘性扭矩的固体核心的旋转。
2003-11-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Probing the absolute density of the Earth's core using a vertical neutrino beam
我们证明，可以测量的绝对物质密度的地球的核心与垂直中微子工厂基线在百分之一的水平为$\sin^2 2 θ_{13} \gtrsim 0.01$，其中我们包括所有的相关性与振荡参数的分析。我们讨论了这种方法的地理可行性，并说明了如何作为检测器位置的函数的结果变化。指出了它与物理学的互补性。
2011-05-19 hep-ph 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
Little Earth Experiment: an instrument to model planetary cores
在本文中，我们提出了一个新的实验设备，小地球实验，旨在研究液体行星核心的流体动力学。该装置的主要新颖性在于，透明导电电解质经受极高磁场（高达10 T）以产生与行星核心中的中等磁场产生的电磁效应相当的电磁效应。这项技术使得人们有可能第一次可视化的对流驱动发电机的主要力量之间的耦合，通过粒子图像测速（PIV）在几何相关的行星。我们首先提出的技术，使我们能够产生这些力量，并在高磁场环境中实施PIV。然后，我们表明，磁场急剧改变的对流羽流的结构，在有关的配置切圆柱区域的地球的核心。
2016-06-06 physics.geo-ph physics.ins-det
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
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
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
The Oxygen Valve on Hydrogen Escape Since the Great Oxidation Event
Institute of Astronomy, University of Cambridge（剑桥大学天文学研究所）；School of Physics and Astronomy, University of Leeds（利兹大学物理与天文学院）；Center for Space and Habitability, University of Bern（伯尔尼大学太空与宜居性中心）
本研究利用三维地球系统模型WACCM6，发现O₂通过影响同温层温度和水蒸气冻结干燥，间接控制氢逃逸率，表明大部分氢逃逸发生在大氧化事件之前。
2026-02-24 astro-ph.EP physics.geo-ph
Fermi-liquid behavior and thermal conductivity of ε-iron at Earth's core conditions
热态致密铁的电子态和输运性质在电子物理学中具有极其重要的意义。结合密度泛函和动力学平均场论，我们研究了电子相关性对六方密排$ε$ -Fe在地核条件下的电阻率和热阻率的影响。发现$ε$ -Fe表现为近乎完美的费米液体。费米液体中的散射率的二次依赖性导致修改的Wiedemann-Franz定律与抑制的热导率相比，电的。这显着增加了电子-电子热阻率，这被认为是相当的幅度的电子-声子之一。地球的核心动力学的影响进行了讨论。
2016-05-23 cond-mat.str-el 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
Earth shaped by primordial H$_2$ atmospheres
本文通过自洽热力学模型提出，地球的水、核密度亏损和氧化态均可由前身行星胚胎中富H$_2$原始大气与岩浆洋及金属核的平衡反应统一解释，为地球关键地球化学特征提供了与岩石行星形成过程一致的简单机制。
2023-04-16 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Xenon Reacts with Iron at the Conditions of the Earth's Core
对地球大气层的研究表明，与南极陨石中丰富的氙相比，超过90%的氙（Xe）已经耗尽。这一长期存在的缺失的水库悖论已成为相当感兴趣的主题，并已提出了几个水库水库模型。失踪的外星人是否藏在地核里一直是一个悬而未决的问题。解决这一问题的关键在于铁与铁（Fe，地球核心的主要成分）的反应性，这一点已被早期的研究所否定。在这里，我们报告的第一个证据的化学反应的铁和铁在地球的核心条件下，预测通过第一性原理计算和公正的结构搜索技术。结果表明，在183 GPa以上和4470 K时，Fe 3+和Fe形成了稳定的金属间化合物XeFe 3，具有Cu 3Au型面心立方结构。由于电子-> Fe的电荷转移，铁失去了它的化学惰性，打开了充满的5 p电子壳层，并作为一个5 p类元素，而Fe是不寻常的负电荷，作为氧化剂，而不是还原剂。我们的工作确定了地球的核心是一个天然的水库，储存二氧化碳，并可能提供了解开失踪的二氧化碳悖论的钥匙。
2013-11-14 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
Exploring constraints on the core radius and density jumps inside Earth using atmospheric neutrino oscillations
本研究提出利用大气中微子振荡探测地球内部结构，采用五层密度模型在保证地球质量、转动惯量恒定及流体静力学平衡的条件下，论证类ICAL探测器可同时约束地球内部密度跃变与核幔边界位置，且电荷鉴别能力起关键作用。
2025-01-13 hep-ex hep-ph physics.geo-ph
