摘要：近日，成都理工大学行星科学中心周游副教授团队依托国家超算成都中心的算力资源，在探索地球初始热状态与早期大气逃逸方面取得了重要进展，相关成果分别发表于中科院一区TOP期刊《Journal of Geophysical Research – Planets》封面文
近日，成都理工大学行星科学中心周游副教授团队依托国家超算成都中心的算力资源，在探索地球初始热状态与早期大气逃逸方面取得了重要进展，相关成果分别发表于中科院一区TOP期刊《Journal of Geophysical Research – Planets》封面文章和Nature Index期刊《Astronomy & Astrophysics》。
夕阳下的国家超级计算成都中心 何鑫 摄
关于地球-月球系统的形成，学界存在多种假说，其中得到最广泛共识的是大碰撞假说——即地球增生末期经历过一次与一个火星大小的星胚发生的大碰撞事件，这次高能撞击事件造成了月球的形成。该事件不仅引起了地球内部化学成分的剧烈重构，还显著影响了地球内部能量的空间分布。
理解这一分布特征，以及地球如何冷却下来是研究地球演化历史的一个关键问题。其中，地球地核的初始热状态这一变量扮演着重要角色，它决定了地球何时形成了其最初的磁场。
算力赋能：
对高算力需求的行星大碰撞形成模型的支持
为了研究地核的初始热状态，周游副教授基于光滑粒子流体动力学（SPH）程序，模拟了一系列地球形成大碰撞事件，对不同撞击角度、撞击速度与撞击体质量等多种参数进行了系统研究，重点关注在地核的加热过程。
模拟结果表明，在典型撞击情景下，地核平均温度可上升约3000K；而撞击释放的热能主要沉积在地核外层，导致核心出现明显的热分层结构。这种热分层不仅可能延迟早期地磁场的产生，还可能显著影响大气逃逸效率和地球化学演化过程，从而为后续的地球长期热演化提供重要线索。
↑图中展示了在不同巨型撞击情景下，地球核心温度在撞击完成后在同一个二维切面（通常为X-Y平面）中的分布情况，用以对比不同撞击角度、速度以及撞击体质量对地核加热程度与分布的影响。每一行对应一个撞击角度（如图中依次为 15°、30°、45°、75°），每一列则对应不同的撞击速度（1vesc 或 3vesc）和不同质量比的撞击体（例如 0.05 M⊕、0.3 M⊕）。从左到右、从上到下，可以直观地看到随着撞击角度、速度和撞击体质量的变化，地核温度分布也呈现显著差异。
此外，研究还发现，撞击参数对热能分布的影响极为敏感。例如，当撞击角度较小、撞击速度较高且撞击体质量较大时，地核加热效应尤为显著；而在较为“偏斜”的撞击中，地核加热效果则明显减弱。这些发现为地球早期内部分层与大气逃逸研究提供了详细的定量描述，填补了以往在高能碰撞环境下温度记录保存及热能传递机制方面的知识空白。
这一研究不仅为重构地球形成早期的热演化过程提供了新视角，也为深入理解早期地球的地磁场起源奠定了理论基础，同时展示了超级计算在复杂模拟问题中的独特优势。
算力赋能：
提出大碰撞过程加热地核的尺度定律
为揭示撞击过程中复杂的热能传递规律，团队充分发挥了国家超算成都中心的强大算力优势。通过对上百种不同撞击情景进行高分辨率数值模拟，研究人员成功构建了反映撞击参数与地核温度变化间关系的尺度定律（The Scaling Law）。该模型不仅能够定量预测撞击后地核内部各层温度分布，还为重构地球初始热状态提供了科学依据。
国家超级计算成都中心 梁迪 摄
在国家超级计算成都中心的助力下
不仅大幅缩短了模拟耗时
还显著提高了模拟结果的精度
使得复杂的高能碰撞过程得以
更好更快地实现
通过这一全新的尺度定律，科学家们可以进一步探讨撞击后的热能分布对早期大气逃逸过程的潜在影响。模型揭示的热分层结构提示，热能主要沉积于地核外层可能形成一层相对稳定的隔热屏障，进而延缓地核冷却和地磁场的形成。这一机制不仅对理解地球自身的热演化具有重要意义，也为其他类地行星的热状态研究提供了可借鉴的理论框架。
尽管大气逃逸学说在解释金星现今大气惰性气体组成方面已经得到了较为广泛的认可，但仍面临一些关键参数上较为粗糙的假设。首先，虽然富氢高层大气的逃逸都可以解释现今金星大气的惰性气体同位素组成，但是金星富氢氦的初始大气和富水的二次大气都可以造成富氢的高层大气——究竟是初始大气还是二次大气，亦或者二者的混合，最终通过逃逸过程造成了现今金星大气的惰性气体组成，当前学界尚未形成定论。发生逃逸的是怎样组成的大气，有助于我们一窥40亿年前金星大气处于怎样的演化阶段、氧化还原状态，为研究金星大气演化的物质起点提供支持。
另外，大气逃逸期间光球层高度的变化，也会显著影响金星大气逃逸过程对惰性气体同位素组成的影响，而前人的研究没有考虑这一过程。周游副教授团队的这一研究，通过将大气逃逸模型与一个一维大气结构模型（辐射-对流平衡模型）进行耦合，在逃逸模拟的每一个时间步引入对光球层高度的重新计算，更真实地模拟了早期金星富氢的高层大气发生逃逸的过程。
算力赋能:
通过大量数值模拟充分探索
金星大气物质组成的参数空间
基于上述研究现状，周游副教授团队建立了大气结构-逃逸耦合模型。他们结合现今金星大气的惰性气体同位素观测数据，依托国家超级计算成都中心，通过数十万次大气逃逸过程模拟，系统探索了现今金星大气演化之处的初始物质组成。模拟发现，现今金星大气演化之处的初始物质组成中的H₂O含量高出H₂两个数量级以上。
↑图中每一个圆圈代表10组大气逃逸算例，红色圆圈表示能够同时匹配现今金星大气中的20Ne/22Ne、36Ar/38Ar、20Ne/36Ar的“匹配算例”。横坐标表示算例的初始大气H₂含量，纵坐标表示算例的初始二次大气H₂O含量。
另一方面，研究团队还发现金星二次大气出现时的H₂有趋近无穷小的趋势。意味着金星在二次大气形成之处，其富氢氦的初始大气很可能已经大部分甚至完全丢失。
↑图中每一个圆均表示能够同时匹配现今金星大气中的20Ne/22Ne、36Ar/38Ar、20Ne/36Ar的“匹配算例”。颜色表示大气逃逸过程持续的时间跨度。横坐标表示逃逸发生的起始时间（太阳系演化年龄），纵坐标表示大气中的含水量。
研究团队通过进一步模拟发现，不含H₂但是富H₂O的大气同样可以造成现今金星大气的Ne、Ar惰性气体同位素组成。这一富H₂O大气中的含水量至多可达现今地球海洋水量的1.33倍，这进一步印证了：早期金星大气曾一度极端富水、发生失控温室效应，造成其最终演化至如今的高温地表环境。相关成果以“Sources of hydrogen in the primordial atmosphere of Venus”为题，发表在天文学国际顶级期刊《Astronomy & Astrophysics》。
在探索星辰大海的征程中，成都理工大学行星科学中心将联合国家超算成都中心，发挥行星科学与超算联合实验室优势，开展融合，通过参数扩展和模型迭代，系统研究不同撞击事件下行星早期热演化、磁场生成与大气逃逸等物理机制。帮助研究人员，针对行星演化早期数值模拟参数的不确定性难题，开展更高分辨率的数值模拟研究，为揭开宇宙演化奥秘贡献中国智慧与力量。
行星科学与超算联合实验室
2022年10月，成都理工大学行星科学国际研究中心与国家超级计算成都中心于共同建立了行星科学与超算联合实验室。联合实验室的建立旨在为行星科学研究提供强大的计算和模拟资源支持，帮助科学家们深入研究行星系统的形成、演化和性质等问题，推动行星科学的发展。联合实验室特设立超算类开放课题基金，鼓励科研人员在超算的助力下，取得高水平的研究成果。
来源：成都科技一点号
