一種奇異的水形式可能有助于解釋天王星凌亂的磁性

最奇特的事情之一天王星海王星是它們的磁場(chǎng)。這些行星中的每一個(gè)都有一團(tuán)熱的磁層，不規(guī)則，從旋轉(zhuǎn)軸上瘋狂傾斜，這是任何其他行星都看不到的。

目前還不完全清楚為什么，但多虧了來(lái)自中國(guó)和俄羅斯的一組研究人員，我們可能會(huì)有一個(gè)新的謎題：一種非常奇怪的電離水形式，被稱為水干，它可能存在于這些奇怪的冰冷世界的極端高壓內(nèi)部深處。

Aquodiium由一個(gè)普通的水分子和兩個(gè)額外的質(zhì)子組成，使其具有凈正電荷，如果有足夠的數(shù)量，可以產(chǎn)生像天王星和海王星那樣的行星磁場(chǎng)。

行星磁場(chǎng)延伸到行星周?chē)目臻g，產(chǎn)生它們。然而，它們是在行星深處通過(guò)移動(dòng)電荷產(chǎn)生的，盡管確切的機(jī)制可能會(huì)有所不同。

在地球上，它是鐵鎳合金在核心周?chē)蝿?dòng)、旋轉(zhuǎn)、對(duì)流和導(dǎo)電，將所有動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電子電流在所謂的發(fā)電機(jī).對(duì)于木星和土星，科學(xué)家們認(rèn)為是金屬氫為流動(dòng)的電子提供了管道。

地球木星和土星具有相對(duì)整齊的磁場(chǎng)，類(lèi)似于沿著行星旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)行的巨大條形磁鐵的磁場(chǎng)，它的磁場(chǎng)線就像一個(gè)籠子，整齊地連接著北極和南極。

相比之下，天王星和海王星的磁極分別從它們的旋轉(zhuǎn)軸傾斜59度和47度，磁力線不斷變形和移動(dòng)。他們是實(shí)際上沒(méi)有居中在行星的核心上。

一種可能的解釋是，磁場(chǎng)可以由離子導(dǎo)電流體產(chǎn)生，其中離子是電荷載流子，而不是充當(dāng)電子管道的流體。

“在那些[高壓]條件下，木星巖石核心周?chē)臍涫且环N液態(tài)金屬：它可以流動(dòng)，就像地球內(nèi)部的鐵水流動(dòng)一樣，它的電導(dǎo)率是由于所有氫原子共享的自由電子壓在一起。理論化學(xué)家、礦物學(xué)家和物理學(xué)家阿爾喬姆·奧加諾夫（Artem Oganov）解釋道俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)學(xué)院。

“在天王星中，我們認(rèn)為氫離子本身 - 即質(zhì)子 - 是自由電荷載體。

那么問(wèn)題來(lái)了，哪些離子呢？有些，如銨，是顯而易見(jiàn)的可能性。但是，行星的水分子是否也在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮了更重要的作用？

在中國(guó)南開(kāi)大學(xué)的物理學(xué)家侯景宇的帶領(lǐng)下，一組研究人員回到了第一性原理，結(jié)合分子進(jìn)化方式的模型，深入研究了一種稱為化學(xué)雜交的概念。

這是當(dāng)原子的軌道元素混合或組合以產(chǎn)生可以以新方式鍵合的原子時(shí)。雜交有多種類(lèi)型，但與此相關(guān)的雜交是 sp³雜化，其中四個(gè)軌道圍繞中心核形成四面體排列。

四面體的四個(gè)點(diǎn)中的每一個(gè)都有一個(gè)能夠與另一個(gè)原子鍵合的孤電子，或者一個(gè)不能與其他原子形成鍵的電子對(duì)。

氧在其外殼中有兩個(gè)單電子和兩個(gè)電子對(duì)。如果你將一個(gè)氫原子連接到每個(gè)可用的價(jià)電子上，你會(huì)得到 H₂O – 水。

有時(shí)，沒(méi)有電子的氫（也稱為普通舊質(zhì)子）會(huì)附著在其中一個(gè)電子對(duì)上，形成一個(gè)稱為水合氫離子.

“問(wèn)題是：你能在水合氫離子中再添加一個(gè)質(zhì)子來(lái)填補(bǔ)缺失的部分嗎？在正常情況下，這種配置在能量上是非常不利的，但我們的計(jì)算表明，有兩件事可以使它發(fā)生。物理學(xué)家肖東說(shuō)南開(kāi)大學(xué)。

“首先，非常高的壓力迫使物質(zhì)減小其體積，與氫離子（質(zhì)子）共享以前未使用的氧電子對(duì)是一種巧妙的方法：就像與氫的共價(jià)鍵一樣，除了這對(duì)電子中的兩個(gè)電子都來(lái)自氧。其次，你需要大量可用的質(zhì)子，這意味著酸性環(huán)境，因?yàn)檫@就是酸的作用——它們提供質(zhì)子。

研究人員進(jìn)行了計(jì)算建模，在與天王星和海王星內(nèi)部存在的條件相似的條件下，這就是發(fā)生的事情。在大約 3,000 攝氏度（5,430 華氏度）和 150 萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓力下，質(zhì)子附著在水合氫上形成 H₄O₂– 水族。

當(dāng)然，這仍然是理論上的。需要對(duì)最外層的兩顆行星進(jìn)行更詳細(xì)的觀測(cè)，以進(jìn)一步研究這種可能性;但這些發(fā)現(xiàn)為我們提供了一種新的方法來(lái)理解天王星和海王星的藍(lán)色怪球。

它們對(duì)整個(gè)化學(xué)也有影響，代表著，研究人員寫(xiě)道，“對(duì)價(jià)殼電子對(duì)排斥模型、質(zhì)子轉(zhuǎn)移和酸堿理論等傳統(tǒng)物理和化學(xué)理論的重要補(bǔ)充。

該研究已發(fā)表在物理審查 C.

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