液态铁的热状态方程及黏性的第一性原理分子动力学计算

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• 作者：咸家伟孙涛张怀
• 会议时间：2014-10-19
• 关键词：地核学 ; 液态铁 ; 热状态方程 ; 黏性特性 ; 第一性原理 ; 分子动力学
• 作者单位：中国科学院计算地球动力学重点实验室 北京 100049;中国科学院大学地球科学学院 北京 100049
• 母体文献：2014年中国地球科学联合学术年会论文集
• 会议名称：2014年中国地球科学联合学术年会
• 会议地点：北京
• 主办单位：中国地球物理学会
• 语种：chi
• 分类号：P31;P3

摘要

本文采用第一性原理分子动力学模拟来确定液态铁在压强0-540GPa及温度2000K-10000K范围内的热状态方程及黏性。这一温压范围涵盖了现有的静态及冲击波实验观测。较大的温压范围容许人们能更好地确定物理量随温压变化的定性趋势,并能与更多的实验数据进行对比,从而更准确地估计计算误差。采用Mie-Griineisen模型来计算液态铁的热状态方程。勃性则根据线性响应理论,通过Green-Kubo公式由应力的白相关函数获得。初步分析表明,Ichikawa等人得到的液态纯铁的弹性波速与PREM模型的差异在其计算误差之内,难以仅由此来推断轻元素在外核中的分布情况。在同一密度下,液态铁的黏性随温度升高而减小,并满足Arrhenius定律;而在同一温度下,勃性随密度的增大而增大,其依赖关系可通过幂函数来描述。结合液态铁的热状态方程,构建了一个简洁的关系式来计算任意温度和压强状态下液态铁的勃性;根据计算所获得的勃性及扩散率,还讨论了广泛使用的Stokes-Einstein公式的物理机制及其所适用的温压范围。