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科学家发现,一种古老且珍贵的气体,正从地球内部不断地释放出来

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现代人类上得了天,也下得了海,甚至在遥远的火星上,也有人类的探测器在四处活动,然而对于地球内部到底是什么情况,人类却了解得很少,所以科学家一直在试图通过各种方法去窥探隐藏在地球内部的秘密。

近日,一项来自新墨西哥大学的研究表明,科学家发现,一种古老且珍贵的气体,正从地球内部不断地释放出来。

根据介绍,这种气体是由氦-3构成的一种单原子气体,它们之所以珍贵,主要有两方面的原因,一个原因是氦-3在地球上极为罕见,要知道氦只有氦-3和氦-4这两种稳定同位素,而根据此前的研究,在地球上所有的氦中,氦-3所占的比例仅为0.000137%,地球上的氦本来就少之又少,氦-3的稀有程度可想而知。

(注:氦-3的原子核包含一个中子和两个质子,而氦-4的原子核则比氦-3多了一个中子)

另一个原因则是,氦-3在核聚变反应过程中释放出的能量非常可观,并且绝对不会释放中子,因此氦-3被认为是非常理想的核聚变燃料。

科学家发现,这些氦-3来自于地球内部,它们不断地从海洋底部的“洋中脊”释放出来,估计每年会有大约2000克氦-3从地球内部逃逸,看上去这个数值似乎不值一提,但以氦-3的稀有程度来看,这其实是相当可观的。

在地球上,氦-3的来源只要有两种,第一种是地球诞生之初就自带的。

第二种则与宇宙射线有关,具体来讲就是:宇宙射线中的快中子会与地球大气层中的氮-14原子核发生反应,并生成碳-12和氚,而氚是氢的一种放射性同位素,会发生β衰变,其半衰期大约为12.43年,氚的原子核包含二个中子和一个质子,在发生衰变之后,其中的一个中子会转变成质子,其原子序数加1,从而衰变成氦-3。

由于第二种来源的氦-3数量极少,并且只存在于地球外层,也就意味着,从地球内部释放出来的氦-3只可能是地球诞生之初所自带的,可以说是非常古老了。

我们知道,地球的内部结构大致可分为地壳、地幔和地核,其中地幔和地核都可以算是“地球内部”,为了搞清楚这些古老且珍贵的气体到底有多少来自于地幔,有多少来自地核,科学家以目前的主流观点进行了建模研究。

根据科学界的主流观点,太阳系形成于一片巨大的原始星云,这被称为“太阳星云”,在大约46亿年前,这片星云发生了引力坍缩,随着坍缩过程的持续,星云中的物质不断地聚集,密度也越来越高,最终在其中心物质最密集的区域形成了太阳,而星云的残留物质则逐渐形成了太阳系中的其他天体,其中就包括地球,也就是说,地球内部的氦-3,其实就来自于“太阳星云”。

地球形成于大约45.5亿年前,在它形成之后不久(大约45亿年前),一颗与现在的火星差不多大的行星撞上了地球,此次撞击的结果是,这颗行星被撞得粉身碎骨,其致密的核心则融入了地球,另一方面,猛烈的撞击抛出了大量的物质,这些物质一边围绕地球运行,一边互相吸积,并最终形成了月球。

建模研究的结果表明,在上述的撞击过程中,地球地幔中的氦-3基本上会流失殆尽,只有地核中的氦-3才可以大量保存下来,在接下来的时间里,地核就一直在缓慢地释放出氦-3,并一直持续到现在。

科学家表示,如果该模型是正确的,那么现在的地核中就仍然保存着大量的氦-3,其最小数量级为10^12(克),最大数量级则为10^15(克),而它们的来源,还可以追溯到更加遥远的过去——宇宙诞生之初。

根据大爆炸宇宙论,宇宙诞生之初有一个“原初核合成”,其时间范围在“宇宙大爆炸”发生后10秒钟至35分钟之间,在这段时间里,宇宙中生成了大量的氦元素,其中就有占比极少的氦-3,而“太阳星云”中的绝大部分氦-3,就是来自于此。

来自宇宙诞生之初的一种古老且珍贵的气体,现在正从地球内部不断地释放出来,不得不说,这实在是一件很奇妙的事情,期待在进一步的研究工作中,科学家能够揭开隐藏在地球深处的更多秘密。

参考资料:

Peter L. Olson and Zachary D. Sharp, Primordial Helium-3 Exchange Between Earth’s Core and Mantle,28 March 2022, Geochemistry Geophysics Geosystems.


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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