地球核心条件下铁的导热和导电性

地球作为一个巨大的热机，由放射性同位素衰变和缓慢冷却驱动，产生板块构造、火山和造山运动。另一个关键产物是地磁场，它由液态铁核中的发电机产生，该发电机由冷却和凝固生长固态内核释放的热量以及凝固时从液体中排出的轻元素引起的化学对流驱动。供给地磁发电机的功率，通过核幔边界（CMB）的热通量衡量，对地球演化施加了约束。CMB热通量的估计取决于铁混合物在核内极端压力和温度条件下的性质，最关键的是导热和导电性。由于实验和理论固有的困难，这些量仍然知之甚少。本文使用密度泛函理论从第一原理计算液态铁混合物在核条件下的这些电导率——这是第一个直接计算的值，不依赖于基于外推的估计。Fe、O、S和Si的混合物取自先前的工作，并符合地震学确定的核密度和内核边界密度跳跃。我们发现两种电导率都比当前使用的估计值高2-3倍。变化如此之大，以至于核热历史和功率需求必须重新评估。绝热热通量的新估计给出CMB处为15-16 TW，高于目前基于地幔对流的CMB热通量估计；核顶部必须是热分层的，上核中的任何对流都由化学对流驱动，以对抗不利的热浮力或CMB热流的横向变化。地磁发电机的功率受到极大限制，未来的地幔演化模型必须包含高的CMB热通量并解释内核的近期形成。