6 Minuten
New constraint on core chemistry: carbon as a freezing agent
Cartoon of the Earth with cutaway showing the mantle and inner and outer core. Magnetic field lines produced by the geodynamo extend into space and interact with the solar wind.
Multinacionalinė komanda iš Oksfordo universiteto, Lidso universiteto ir University College London praneša, kad anglis galėtų būti lemiamas ingredientas, leidęs Žemės skystajam išoriniam branduoliui kristalizuotis į kietąjį vidinį branduolį, kurį stebime šiandien. Tyrimas, paskelbtas Nature Communications 2025 m. rugsėjo 4 d., pateikia kiekybinį apribojimą branduolio sudėčiai: maždaug 3,8 proc. branduolio masės anglies sumažintų reikiamą superšaldymo laipsnį užšalimui pradėti iki vertybių, suderinamų su paleomagnetiniais ir geofizikiniais duomenimis.
Supratimas, kodėl ir kaip susiformavo vidinis branduolys, svarbus, nes vidinio branduolio augimas varo konvekciją išoriniame branduolyje, kuri maitina geodinamą — magnetinį lauką, saugantį Žemę nuo saulės ir kosminių dalelių spinduliuotės ir padėjusį išlaikyti gyvybę paviršiuje.
Scientific background: supercooling, nucleation and core composition
Solidaus vidinio branduolio susidarymas nėra vien temperatūros kirtimo lydimosios taško klausimas. Vietoj to, nukleacijos fizika kontroliuoja kristalizacijos pradžią. Skysti geležies lydiniai gali būti superšaldomi gerokai žemiau savo pusiausvyros lydimosios temperatūros, kol pasirodo kristalai; klasikinė analogija — debesų lašai, kurie gali atvėsti daug žemiau 0 °C neįšalę.
Ankstesni teoriniai darbai rodė, kad grynam geležies branduoliui reikėtų ekstremalaus superšaldymo — apie 800–1000 °C — kad prasidėtų nukleacija. Toks scenarijus prieštarauja geofizikinėms riboms: jei Žemės branduolys būtų buvęs taip giliai superšaldytas, modeliai prognozuoja labai greitą vidinio branduolio augimą ir planetinio magnetinio lauko žlugimą, o tai neatitinka paleomagnetinio ar seismologinio įrašo. Nepriklausomi tyrimai vietoj to nurodo, kad praeityje superšaldymas buvo ribotas — maždaug 250 °C žemiau lydimosios temperatūros.
Šis neatitikimas parodo lengvųjų elementų branduolyje svarbą. Seizmologija jau rodo, kad branduolys yra mažiau tankus nei gryna geležis, todėl ilgą laiką kaip lengvieji komponentai siūlyti silicis, siera, deguonis ir anglis. Naujas tyrimas tiesiogiai modeliuoja, kaip šie lengvieji elementai veikia nukleaciją ir užšalimo kelią slėgio bei temperatūros sąlygomis, lygiomis vidinio branduolio ribai.
Methods: atomic-scale simulations of nucleation under core conditions
Komanda naudojo plataus masto atomines simuliacijas, stebėdama maždaug 100 000 atomų ekstremaliomis slėgio ir temperatūros sąlygomis Žemės giliojo interjero aplinkoje. Šie molekulinio masto skaičiavimai leidžia tiesiogiai įvertinti nukleacijos greičius: kaip dažnai mažos kristalinės sankaupos susiformuoja ir išauga iš superšaldyto skysčio.
Keisdami lydinio sudėtį, tyrėjai kiekybiškai įvertino, kaip kiekvienas kandidatų lengvasis elementas keičia reikiamą nukleacijos superšaldymo laipsnį. Jie išbandė mišinius su reprezentatyviomis silicis, sieros, deguonies ir anglies koncentracijomis, kad nustatytų, kurios sudėtys gali tiek iniciuoti nukleaciją esant santykinai mažam superšaldymui, tiek atitikti šiandienos stebimą vidinio branduolio dydį.
Simuliacijos rodo, kad silicis ir siera, priešingai nei kai kurie lūkesčiai, linkę sulėtinti nukleaciją ir todėl reikalauja didesnio superšaldymo. Tačiau anglis elgiasi priešingai: ji katalizuoja nukleaciją šiuose geležimi turtinguose lydiniuose, mažina užšalimo slenkstį ir leidžia vidiniam branduoliui susiformuoti esant daug mažesniam superšaldymui.
Key results and implications for Earth evolution
Kai komanda modeliavo branduolį, turintį apie 2,4 proc. anglies pagal masę, prognozuotas reikiamas superšaldymas sumažėjo iki maždaug 420 °C — pagerėjimas, bet vis dar aukščiau paleomagnetinių ribų. Ekstrapoliuodami simuliacijas į branduolio sudėtį su maždaug 3,8 proc. anglies, tyrėjai gavo reikalingą superšaldymą netoli 266 °C, suderinamą su nepriklausomomis ribomis ir dabartiniu vidinio branduolio dydžiu.
Ši sudėtis yra vienintelė, identifikuota tyrime, kuri vienu metu paaiškina tiek nukleacijos elgseną, tiek seismologiškai nustatytas vidinio branduolio dimensijas. Rezultatas reiškia, kad anglis gali būti reikšmingesnė Žemės branduolio dalis, nei manė dauguma ankstesnių modelių, ir kad anglis suvaidino esminį vaidmenį lemiant vidinio branduolio nukleaciją ankstyvoje Žemės istorijoje.
Papildomos pasekmės apima:
Magnetic field stability
Vidinio branduolio nukleacija ir vėlesnis augimas suteikia energiją ir konstitucinį plūdrumą, kurie varo išorinio branduolio konvekciją ir palaiko geodinamą. Vėluojantis arba neegzistuojantis vidinis branduolys pakeistų magnetinio lauko istoriją, turėdamas pasekmių atmosferos išsaugojimui ir paviršiaus gyvybingumui.
Constraints on planetary formation and volatile delivery
Jei Žemės branduolyje yra kelios procentinės dalys anglies, tai apriboja akrecijos ir lakiųjų medžiagų pasiskirstymo modelius planetų formavimosi metu ir gali padėti palyginti su kitomis uolinėmis planetomis.
Tyrimas taip pat rodo, kad vidinio branduolio užšalimas galėjo įvykti be išorinių nukleacijos sėklų, kadangi ankstesniuose modeliuose tirtos galimos dalelės ištirptų arba ištirptų branduolio sąlygose, o tai sustiprina lydinio chemijos svarbą kaip pagrindinį kontrolės veiksnį.
Expert Insight
Dr. Amelia Reyes, planetų fizikė, nedalyvavusi tyrime, pažymi, kad darbas pabrėžia, kaip atomų masto fizika atsispindi planetų evoliucijoje. Ji teigia, kad anglies turtingas scenarijus yra plausible atsižvelgiant į meteoritinę chemiją ir siūlo nuoseklų ryšį tarp seisminių stebėjimų, paleomagnetizmo ir branduolio termodinamikos. Jos nuomone, rezultatas motyvuoja laboratorinius ir stebėjimo tyrimus, kurie toliau galėtų susiaurinti giliosios Žemės anglies biudžetą.
Pagrindiniai tyrėjai pabrėžia platesnę reikšmę, susiejant mikroskopinius nukleacijos kinetikos dėsnius su makroskopiniu planetiniu elgesiu. Jie taip pat pabrėžia aukštos kokybės simuliacijų vertę tiriant Žemės sritis, neprieinamas tiesioginiam mėginių paėmimui. Tyrimą rėmė Natural Environment Research Council (NERC).
Conclusion
Naujos atominių mastų simuliacijos rodo, kad nedidelė, bet reikšminga anglies dalis Žemės branduolyje — maždaug 3,8 proc. pagal masę — būtų sumažinusi superšaldymo slenkstį tiek, kad vidinis branduolys galėjo nukleuoti, suderintai su geofizikinėmis ribomis. Šis radinys persvarsto anglies vaidmenį branduolio chemijoje, sustiprina mechanistinį ryšį tarp branduolio sudėties ir magnetinio lauko evoliucijos, bei pateikia testuojamą tikslą būsimoms eksperimentams ir planetų formavimosi modeliams. Aiškindamas, kaip galėjo susiformuoti kietasis vidinis branduolys, darbas praplečia mūsų supratimą apie giluminę Žemę ir geodinamos ilgalaikį stabilumą.
Quelle: sciencedaily
Kommentar hinterlassen