透過現代地震學觀測以及地球化學的研究，我們對於現今地球內部的組成與分層構造有初步的了解。然而在過去約45億年的演化過程中，地球是如何從初期的高溫岩漿海逐步冷卻甚至凝固?較重的金屬與較輕的矽酸鹽及氧化物是如何分離而分別形成地核與地幔?液態地核的流動是如何產生磁場並持續運作至今?而固體內地核又是何時形成?這些都是目前深部地球領域重要但尚未釐清的基礎問題。
 
為了進一步了解這些基本又關鍵的地球內部熱化學與磁場演化問題，我們在實驗室裡透過高壓科學技術來開闢一條通往地球深處的通道，使我們得以知悉各種組成物質在地球內部的性質。我們利用高壓鑽石砧結合加熱技術來模擬地球內部高溫高壓的狀態，搭配光學實驗來量測地球內部物質在相關高溫高壓條件下的物理化學特性，使我們進一步了解這些特性如何影響地球內部熱的傳遞、物質與能量狀態、演化動力學等，一窺地球內部自古以來可能的面貌，揭開其前世今生與演化歷史。
 
舉例來說，我們最近發現玄武岩質玻璃在地球早期高溫高壓狀態下呈現極差的熱傳導能力，意謂著地球早期岩漿海的冷卻其實比過去想像的還要緩慢些。這也導致了較長的岩漿海生命週期(lifetime)，並進一步促進地幔在緩慢冷卻凝固的過程中形成部分結晶(fractional crystallization)，使其在完全固化前即開始產生對流，避免最終岩石因重力差異而產生全球性大尺度的翻轉(圖一)。這一新的實驗數據為將來進一步數值模擬岩漿海演化提供了重要的材料性質與演化模式及觀點的佐證。
 
此外，地球之所以成為一個宜居的星球，其中一個重要的因素即是地球有著穩定的磁場，阻擋了來自外太空的太陽風以及各種宇宙射線的輻射干擾，保護地表上的生物活動以及電子通訊的穩定。目前一般認為地球磁場是由含大量鐵與少量較輕元素所構成的液態外地核對流，並透過一種所謂「地體發電機」的假想機制所形成的。而古地磁的研究暗示了地球其實早在太古宙(Archean)甚至更早以前即可能有全球性的磁場並持續至今。然而是什麼樣的機制與能量來源使地球的磁場得以長期穩定運作迄今?這類的基本問題到目前為止也還是沒有完全定論。由鐵合金所組成的地核其熱傳導能力在地核熱化學演化歷史、對流動力學與運作地體發電機所需能量，以及固體內地核是何時形成等重要議題上都具有關鍵性的影響力。近期我們發現如果地核是由鐵-矽合金所組成，其在地核極高溫壓狀態下的導熱能力其實比過去所認為的還要低。而地核較差的散熱能力使其緩慢釋放出的熱能即足以驅動液態地核熱對流以產生磁場，不需化學能的協助即可穩定運作至今。地核緩慢的冷卻也意謂了固體內地核可能早在20億年前即形成(圖二)。
 
然而，與地球同為類地行星的火星，其磁場的演化歷史卻是與地球磁場天差地遠。根據多年的火星任務探測結果，目前科學家們發現火星磁場在約43億年前曾經存在，但只短暫地運作了約7億年即停止，一直到今日都沒有再出現。為了解密火星磁場僅短暫運作即終止的原因，最近我們也以實驗證實火星核的可能組成物質—鐵硫合金具有頗高的熱傳導率，使得火星核能夠迅速且有效地散熱。因為火星既沒有像地球的固體內核生成以提供化學能，也沒有地表板塊構造運動以加速地幔冷卻，所以當火星核把提供磁場運作的自身熱對流能量迅速耗盡時，整個火星核即進入熱分層(thermal stratification)狀態，導致磁場終止(圖三)。
 

圖1、(a)極低的岩漿海熱傳導率將使得地幔緩慢冷卻，並開始形成對流。(b)最終將形成一個重力穩定的地幔構造。(取自參考文獻一)
 

圖2、極低之地核熱傳導係數意謂著內地核之年齡可能超過20億年。(取自參考文獻二)
 

圖3、火星核迅速散熱造成運作磁場所需之能量殆盡，形成熱分層而終止磁場。(取自參考文獻三)
 
參考文獻：

• Wen-Pin Hsieh*, Yun-Yuan Chang*, Yi-Chi Tsao, Chun-Hung Lin, and Kenny Vilella, “Exceptionally low thermal conduction of basaltic glasses and implications for the thermo-chemical evolution of the Earth's primitive magma ocean,” J. Geophys. Res. Solid Earth, 129, e2023JB027722 (2024).
• Wen-Pin Hsieh*, Alexander F. Goncharov*, Stephane Labrosse, Nicholas Holtgrewe, Sergey S. Lobanov, Irina Chuvashova, Frédéric Deschamps, and Jung-Fu Lin*, “Low thermal conductivity of iron-silicon alloys at Earth’s core conditions with implications for the geodynamo,” Nat. Commun., 11, 3332 (2020).
• Wen-Pin Hsieh*, Frédéric Deschamps*, Yi-Chi Tsao, Takashi Yoshino, and Jung-Fu Lin, ”A thermally conductive Martian core with implications for its dynamo cessation,” Sci. Adv., 10, eadk1087 (2024).