冰巨星天王星和海王星的内部结构模型有两个不同的中间层：一个是上层富含水的对流层，在那里产生了无序的磁场，另一个是下层非对流的富含碳氢化合物的层。新的计算机模拟表明，冰物质在高压和高温下自然分离成这两层。图片来源：uux.cn加州大学伯克利分校Burkhard Milizer

（神秘的地球uux.cn）据加州大学伯克利分校：钻石雨？超离子水？这只是行星科学家对天王星和海王星厚厚的蓝色氢氦大气层下的两个提议，天王星和海王星是我们太阳系独特但表面平淡的冰巨星。

加州大学伯克利分校的一位行星科学家现在提出了一种替代理论——这两颗行星的内部都是分层的，这两层就像油和水一样，不会混合。这种配置巧妙地解释了行星的异常磁场，并暗示了早期的内部理论不太可能是正确的。

在发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，Burkhard Miltizer认为，云层之下有一片深海，而云层之下则是一种高度压缩的碳、氮和氢流体。

计算机模拟表明，在行星内部的温度和压力下，水（H2O）、甲烷（CH3）和氨（NH3）的组合会自然分离成两层，主要是因为氢气会从构成大部分深部内部的甲烷和氨中挤出。

这些不混溶的层可以解释为什么天王星和海王星都没有像地球那样的磁场。这是20世纪80年代末旅行者2号任务对我们太阳系冰巨星的惊人发现之一。

加州大学伯克利分校地球与行星科学教授米利策说：“我想说，我们现在有了一个很好的理论，为什么天王星和海王星的磁场真的不同，它与地球、木星和土星非常不同。”。“我们以前不知道这一点。这就像石油和水一样，只是石油会因为氢气的损失而下降。”

米利策说，如果其他恒星系统的成分与我们的相似，那么这些恒星周围的冰巨星很可能具有相似的内部结构。天王星和海王星大小的行星，即所谓的亚海王星行星，是迄今为止发现的最常见的系外行星之一。

对流导致磁场

当一颗行星从其表面向下冷却时，冷而致密的物质会下沉，而较热的流体团会像沸水一样上升——这一过程称为对流。如果内部是导电的，一层厚厚的对流材料会产生类似于条形磁铁的偶极磁场。

地球的偶极场由其液态外铁芯产生，产生从北极到南极的环形磁场，这就是指南针指向两极的原因。

但旅行者2号发现，这两颗冰巨星都没有这样的偶极场，只有无序的磁场。这意味着行星内部深处的厚层中没有物质的对流运动。

为了解释这些观测结果，两个独立的研究小组在20多年前提出，行星必须有不能混合的层，从而防止大规模对流和全球偶极磁场。然而，其中一层的对流可能会产生无序的磁场。但这两个小组都无法解释这些非混合层是由什么组成的。

十年前，米利泽反复尝试解决这个问题，使用计算机模拟大约100个原子，碳、氧、氮和氢的比例反映了早期太阳系中已知的元素组成。

在行星内部预测的压力和温度下——分别是地球大气压的340万倍和4750开尔文（约8000°F）——他无法找到形成层的方法。

然而，去年，在机器学习的帮助下，他能够运行一个模拟540个原子行为的计算机模型，令他惊讶的是，他发现当原子被加热和压缩时，层会自然形成。

他说：“有一天，我看着模型，水已经从碳和氮中分离出来。10年前我做不到的事情现在正在发生。”。“我想，‘哇！现在我知道为什么会形成这些层了：一层富含水，另一层富含碳，在天王星和海王星中，下面是富含碳的系统。重的部分留在底部，轻的部分留在顶部，它不能产生任何对流。’”

他补充道：“如果没有一个庞大的原子系统，我就无法发现这一点，而10年前我无法模拟这个庞大的系统。”。

他说，挤出的氢气量随着压力和深度的增加而增加，形成稳定分层的碳氮氢层，几乎就像塑料聚合物一样。虽然上层富水层可能会对流产生观测到的无组织磁场，但深层分层富烃层则不能。

当他模拟天王星和海王星分层产生的重力时，重力场与旅行者2号近40年前测量的重力场相匹配。

他说：“如果你问我的同事，‘你认为天王星和海王星的磁场是什么？’他们可能会说，‘好吧，也许是钻石雨，但也许是我们称之为超离子的水特性。’”。“在我看来，这是不合理的。但如果我们将这种分离分为两个单独的层，这应该可以解释它。”

米利策预测，天王星3000英里厚的大气层下面有一层约5000英里厚的富水层，而在其下面还有一层约五千英里厚的富含碳氢化合物的层。它的岩石核心大约是水星的大小。

虽然海王星的质量比天王星大，但它的直径更小，大气层更薄，但同样厚的富水富烃层。它的岩石核心比天王星稍大，大约相当于火星的大小。

他希望与能够在极高温度和压力下进行实验室实验的同事合作，以测试在流体中是否形成了与原太阳系中发现的元素比例相同的层。

如果航天器上装有多普勒成像仪来测量天王星的振动，美国国家航空航天局拟议的天王星任务也可以提供确认。米利策尔说，分层行星的振动频率与对流行星不同。

他的下一个项目是使用他的计算模型来计算行星振动的差异。