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研究:地球的地核正向外洩漏罕見的原始氣體氦-3

北京時間 4 月 6 日訊息,據國外媒體報道,一項新的建模研究顯示,一種在大爆炸後不久產生的、極為罕見的氦氣正在從地球的金屬地核中向外洩漏。

▲科學家懷疑地核中儲存著大量罕見氣體 —— 氦-3。

這類氦氣名叫氦-3。宇宙中的絕大部分氦-3 都是在 138 億年前大爆炸發生後不久時形成的,其中一部分與其它氣體和塵埃一起,成為了太陽星雲的一部分。太陽星雲是一團體積巨大、不斷旋轉的氣體雲,被認為是太陽系的前身。

科學家發現,地核中可能儲存有大量氦-3,這進一步佐證了地球是在太陽星雲“生機勃勃”的內部誕生、而非在其外圍或萎縮期形成。

氦-3 是“自然界的奇蹟,也是地球歷史的線索,在地球內部仍然存在大量這種同位素”

。氦-3 是氦的同位素,原子核中只有一箇中子,而普通氦中有兩個。這種氣體極為罕見,僅佔地球上所有氦的 0.0001%。其生成方式有很多,比如氫的一種罕見放射性同位素 —— 氚的放射性衰變。但由於氦是宇宙中最早存在的元素之一,大多數氦-3 可能還是在大爆炸中形成的。

科學家已經知道,每年約有兩千克氦-3 會從地球內部逸散出來,主要沿板塊交界處的洋中脊系統向外逃逸,這麼多氦氣可以填滿一隻書桌那麼大的氣球。但科學家並不清楚有多少氦-3 來自地核、多少來自地幔,也不清楚地球內部究竟儲存了多少氦-3。

為弄清這些問題,研究團隊建立了地球歷史上兩段重要時期的氦丰度模型:一是地球形成初期,在此期間,地球上的氦仍在逐漸累積;二是月球形成後,期間地球失去了大量氦氣。科學家認為,月球是在 40 億年前某個火星大小的天體與地球相撞後形成的,這起事件導致地殼融化,致使地球內部的氦氣大量流失。

▲圖為哈勃望遠鏡拍攝的瀉湖星雲。宇宙大爆炸之後,形成了大量氦-3 氣體,這些氣體後來變成了各種星雲的一部分,其中一團星雲後來形成了我們的太陽系。地核中氦-3 的儲量說明,地球是在一團氦-3 濃度較高的星雲內部形成的。

不過,地球當時並未失去全部氦-3,仍有部分氦-3 留在地球內部、逐漸向外散逸。地核很適合儲存這種氣體,因為與地球其它部位相比,這部分遭受重大撞擊時更不容易遭到破壞,而且地核也不參與板塊運動,不會在這一過程中釋放出氦氣。

研究人員將現代氦-3 洩漏率與氦同位素的行為模型結合在一起,計算結果顯示,地核中仍有 10 萬億至 1 千萬億克的氦-3,這個數字非常龐大,說明地球是在該氣體濃度很高的太陽星雲中形成的,這些“地球形成和演化期間的氣體交換模型說明,地核中仍存有大量氦-3,正在不斷向外洩漏”。

不過,由於這些結果均通過建模得出,還不能算板上釘釘的結論。該團隊做了一系列假設,例如地球的氦-3 是在太陽星雲內部形成時積累而來,氦先是進入了日後成為地核的金屬中,隨後又有部分離開地核、進入了地幔中。除了這些假設外,還有其它不確定之處,比如太陽星雲相對於地球形成速度的持續時長。因此科學家表示,地核中實際的氦-3 含量也許比計算得出的要少。

但研究人員還希望找到更多證據來佐證自己的發現。比如說,假如能在地核中找到其它由星雲創造而成的氣體(比如氫氣),在與氦-3 相同的地點、以氦-3 相同的速度向外洩漏,就能說明這些氦-3 的確來源於地核,但未解之謎仍比確定之處多得多。