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  “地球的水从何而来”是一个由来已久的谜,这对于理解生命是如何出现以及地球内部动力学是如何随时间演化至关重要。

  日前,南开大学物理科学学院李含飞博士、董校副教授及其合作者对这个重要科学问题给出了新的思路。相关论文“Ultrahigh-Pressure Magnesium Hydrosilicates as Reservoirs of Water in Early Earth”1月21日发表在物理学顶尖期刊《Physical Review Letters》(《物理评论快报》)上,并被列为编辑精选(Editor’s Suggestion)。物理成果报道杂志《Physics》特邀为其撰写专题文章。

  目前,关于水的起源有两个争议的观点:一是“地狱起源说”:水来自于地球深处,即地球在吸积期获得了大量的水,并储藏与地球内部;二是“天堂起源说”:在地球形成后,富水陨石轰炸提供了大量的水。

  最近,越来越多的证据支持第一种假设。氘/氢(D/H)比被认为是水起源的指纹,提供了一个有力的证据:地球深部地幔的D/H比很低,接近于早期地球的基本组件顽辉石球粒陨石和原始太阳星云,远低于彗星等太阳系外围物质。这给地球内部的水可能直接来自原太阳星云提供了有力证据。

  然而,这一假说存在相当大的问题。与其他行星材料如铁、硅酸盐相比,水的熔点和沸点要低得多,因此在新生地球的数千度的炙热表面,水会被蒸发到太空中。由此可见,水只能存在于在地球新生吸积期储存于地球内部深处,同时在新生地球演化到一定程度时将水释放出来。然而这一过程中的物质存储形式却尚不明确。

  董校副教授长期从事极端条件下水合物的设计以及物性预测的研究,通过第一性原理计算和结构预测方法,发现两种新的水合硅酸镁相在数百万大气压稳定。其中,α‑Mg2SiO5H2稳定在262–338 GPa,β‑Mg2SiO5H2 338 GPa 以上稳定(对比如今核幔分界处的压力为136 GPa,地球中心的压力为360 GPa)。两者结构上的区别为β‑Mg2SiO5H2拥有首次预言的镁离子9配位形式。进一步研究发现,两者在高温下都具有准一维质子扩散的超离子导体形式。

两种Mg2SiO5H2的结构

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  第一性原理计算表明,在300 GPa,α‑Mg2SiO5H2和β‑Mg2SiO5H2有非常高的密度和极高的含水量。其中Mg2SiO5H2含有11.4 wt %的水,只略微少于δ‑AlO2H和H相(MgSiO4H2)中约15wt %的含水量,高于大多数其他报道的水合硅酸盐和氢氧化物的含水量。分子动力学计算预测,Mg2SiO5H2 耐热性远好于其他含水矿物,在高达8000K的温度下,也没有融化的迹象。

含水硅酸盐参与的早期地球演化过程

  在早期地球内部,因为核幔尚未分离,硅酸盐和过量的氧化镁可能深入到地球内部深处,从而承受远比现今更高的压力,比如高于262 GPa,而此时则可以以Mg2SiO5H2 的形式储存水分。

  计算表明,理想状态下早期地球内部以Mg2SiO5H2 的形式可以储存8倍现今海洋质量的水。而后随着核幔分离的进行,铁质核区逐渐长大,从而将硅酸盐抬高并降低其所受压力,从而迫使Mg2SiO5H2分解释放水分。而释放出的水分通过复杂的地球物理和化学过程返回地表,而此时,地表已经足够冷却能够保证液态水的存在,形成原始海洋。而Mg2SiO5H2的分解产物,MgSiO3和MgO,它们仍然在下地幔发挥着重要作用。同时Mg2SiO5H2的发现对于人类认识其它类地行星,尤其是超级地球中的物质循环也具有重要意义。

  综上所述,该项工作填补了含水硅酸盐体系在数百GPa压力下物质存在形式的空白,开拓了早期地球水和轻元素循环的新视角,加深了人们对核幔分离过程中物质存在和循环过程的理解。

  在同一期《Physical Review Letters》中,南京大学的孙建教授发表了一个相关的体系H-Si-O并着重阐述了该体系中新发现的化合物在天王星、海王星等冰行星中的影响。《Physics》特邀为这两篇工作撰写了专题评论文章 “Mineral Candidates for Planet Interiors”,其中法国天文学家Tristan Guillot评价“两篇工作都是有重大潜在应用价值的创新工作”。

  《Physical Review Letters》是美国物理学会(American Physical Society)于1958年创办的物理学综合性期刊,属于物理学顶级刊物,主要发表重要的物理研究成果。《Physics》为美国物理学会创办的科学报道期刊,主要针对最新的重要科研成果进行报道,前身为《Physical Review Focus》,在学界具有很大影响力。

  该工作得到了国家自然科学基金、天津市自然科学基金、广州超算中心、南开大学超算中心及其他相关基金资助或支持。

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    2022-02-12 00:02:30 

      1996年英格兰欧锦赛时代,球迷为英格兰队创作了一首助威歌曲,其中有一句唱道:“(足球)回家了,回家了,回家了。”暗指作为现代足球起源地的英格兰,将把冠军带回家。25年已往了,英格兰队终于有望实现这一目的。

      丹麦队球员打进两球

      本届欧锦赛前5场竞赛,英格兰队一球未失,创下赛事纪录。不外本场竞赛,丹麦人乐成地让英格兰队门将皮克福德从球门内捞球了,第30分钟,达姆斯高30米开外直接随便球飞入死角。这个进球让涌入6万名观众的温布利球场突然变得镇静了不少,加入的8000名丹麦球迷在欢呼,英国球迷双手捂脸,茫然地注视着球场,主教练索斯盖特也有些坐立不安,也许他们想起英格兰队此前两次折戟欧锦赛半决赛的履历……

      幸亏场上的队员们没有忙乱,9分钟后,队长凯恩回撤拿球后直传,本场竞赛伤愈首发的阿森纳队小将萨卡从右路高速插上,得球后迅速传中,丹麦队长克亚尔被死后的斯特林滋扰,效果自摆乌龙,英格兰队将比分追平。今后,英格兰队占尽优势,丹麦队只能依附定位球和远射制造威胁。全场竞赛,英格兰队射门21次、10次射正,丹麦队仅有6次射门、3次射正。不外,顽强的丹麦队照样将竞赛拖入加时赛。加时赛第12分钟,斯特林在禁区内摔倒为英格兰队赢得点球,凯恩主罚被小舒梅切尔扑出,但他跟进补射破门,为英格兰队打入制胜球。

      制胜点球引发伟大争议

      英格兰队的点球引发了伟大争议。慢镜头回放显示,斯特林摔倒前与丹麦队后卫并没有显著身体接触,斯特林有假摔嫌疑。此外,从斯特林右路最先突破,到他摔倒,球场内由于球童失误,一直有两个足球。

      “我突入禁区,对方伸了腿。进球才是最主要的。”赛后,斯特林对自己制造的点球不愿多说。不外,这个决议竞赛的判罚立刻引发各方争议。为英国电视台担任解说嘉宾的前英格兰队后卫理查兹在直播时就直言,这个判罚有待商讨,“我们都是英格兰队的球迷,但这个球,裁判真的应该去场边看回放确定,本届欧锦赛裁判的判罚都很不错,但这次,我以为是个误判。”德国《图片报》采访的该国裁判专家金霍弗说:“在欧锦赛半决赛这样主要的赛事中,裁判必须在110%确定的情形下才气判罚点球,丹麦队后卫确实碰着了斯特林,但这个判罚有些轻率。”

      在中外社交媒体上,网民们气忿地示意,英格兰队“偷走”了丹麦队的决赛资格。有外国网民取笑说:“奥运会快最先了,斯特林应该赶忙去英国跳水队报到。”也有网民以为,“若是加时赛再打平,点球大战英格兰队一定赢不了,看看索斯盖特(注:索斯盖特以球员身份征战1996年欧锦赛半决赛时曾在点球大战中失手)吧!”

      英格兰队期待温布利夺冠

      争议虽然多,但效果已不能更改。北京时间7月12日3时,英格兰队将继续在温布利球场与意大利队争取冠军。

      “丹麦队是一支被低估的球队,给我们制造了许多贫苦。但最令人喜悦的是,我们让球迷和整个国家渡过了一个美妙的夜晚。”索斯盖特赛后十分兴奋,这名一直给外界“英伦绅士”形象的教练也加入了球员们的疯狂庆祝。对于决赛,索斯盖特示意,“意大利队异常精彩,他们状态极佳,防守球员履历厚实,这是一场令人期待的对决。不外,决赛就是用来赢下的!”人这么少吗?不科学

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