通过中子成像与衍射推断地核中的氢

地球最轻元素的隐藏储库

氢最广为人知的是作为水和太阳的主要成分，但这项研究表明，大量氢也可能被锁在我们行星的金属心核深处。通过在实验室重现地表下极深处的高压高温并观察氢在熔融铁中的行为，作者们为理解地核成分和地球的形成提供了新的视角。

为什么地核看起来比应有的轻

地震波显示，地核的密度低于纯铁镍球体的密度。为了解释这部分“缺失”的质量，科学家提出更轻的元素诸如硅、硫、氧、碳和氢混入了地核。氢是一个特别有吸引力的候选者，因为它在早期太阳系中丰度高，并且在极高压力下容易溶入铁中。然而，准确测量有多少氢进入液态铁一直很困难，因为在高压下形成的铁氢化物在恢复到常压常温时会分解。

观测熔融铁中的氢

研究团队利用中子束解决了这一难题。中子易穿透金属，但对氢有很强的响应。在日本的一处强中子源处，他们将一枚微小的铁样与富氢材料一起置入多砧压机中，压到约3–3.5千兆帕并加热到约1400开尔文，这类似于年轻地球早期岩浆海底部的条件。中子衍射揭示了原子排列情况，显示铁何时由固体晶体转变为完全熔融状态；中子成像记录样品对中子的吸收强度，从而揭示每个阶段有多少氢进入了铁样。

把中子阴影转换为数值

为将中子影像转为氢含量，团队首先校准了随着固态铁中氢含量增加，中子质量吸收如何变化。他们发现吸收几乎随氢分数线性增加，从而构建出一条简单的换算曲线。对于熔融铁，由于密度不直接已知，他们将测量结果与先进的液态铁氢化物计算机模拟相结合，这些模拟将压力、温度与成分关联到密度。综合这些信息，他们推断在3.4千兆帕和1400开尔文条件下，液态铁可含约0.17质量百分比的氢。

从实验胶囊到行星内核

接着，作者使用了改良形式的经典定律——西弗茨定律，该定律将金属中溶解的氢量与周围氢压和温度联系起来。以他们的实验结果为基准，他们计算了在富氢早期大气之下、深厚岩浆海底部熔融铁能吸收多少氢。在这些有利条件下，他们估计形成地核的液态铁可能含有约0.6到0.7质量百分比的氢。随着内核后来分化成液态外核和固态内核，氢更偏爱留在液相，使外核氢含量高于内核。

对地球深部的意义

利用标准的地球内部模型，团队将这些百分比换算成一个惊人的总量：地核可能储存的氢是当今所有海洋总量的72到87倍。在他们的情景中，仅外核就能含有相当于70到85个海洋的氢，而内核则包含较小但仍可观的份额。如果氢是唯一的轻元素，这样的数量可以解释外核观测到密度缺陷的一半以上。实际上，其他元素极有可能与氢共同存在，但这项工作表明，氢在塑造地球最深处结构与演化方面不应再被视为次要角色。

地球起源故事中的一块新拼图

对非专业读者而言，关键信息是：地球内核可能是一个巨大的隐藏氢库，其储量可与地表的水相媲美或超过之。通过在现实条件下直接测量熔融铁中的氢而非依赖间接线索，这项研究加强了这样的观点：早期富氢的大气与熔融地幔将大量最轻元素输送入正在形成的内核。那份静默的氢储备至今仍通过影响内核的密度、动力学和磁性行为对行星产生影响。

引用: Takahashi, N., Sakamaki, T., Hattori, T. et al. Hydrogen in the Earth core inferred from neutron imaging and diffraction. Sci Rep 16, 14162 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49969-z

关键词: 地核, 铁中氢, 中子实验, 岩浆海, 行星形成