6 Minuten
Kodėl Žemės branduolys svarbus ir kas lieka nežinoma
Geležimi turtingas branduolys Žemės centre yra esminis planetos ilgalaikei evoliucijai. Jis palaiko geodinamą, generuojantį magnetinį lauką, kuris saugo atmosferą ir vandenynus nuo saulės vėjo ir kosminės radiacijos. Iš branduolio išsiskirianti šiluma taip pat skatina mantijos konvekciją ir litosferos plokščių judėjimą — procesus, formavusius žemynus ir ilgalaikėje geologijoje įtakojusius klimatą.
Nors tai labai svarbu, daugelis pagrindinių branduolio savybių vis dar nėra aiškios. Mokslininkai dar nesutaria dėl vidinio branduolio tikslios temperatūros, lengvųjų elementų mišinio ar laiko bei mechanizmo, kaip anksčiau skystas branduolys pradėjo kietėti. Tiesioginis mėginių paėmimas neįmanomas, todėl tyrėjai remiasi netiesioginiais įrodymais ir eksperimentais, kurie atkartoja ekstremalias slėgio ir temperatūros sąlygas.
Naujas tyrimas, pagrįstas mineralinės fizikos simuliacijomis, siūlo anksčiau nepakankamai įvertintą kintamąjį, galintį padėti spręsti šias neaiškumas: anglis. Darbas jungia atominius procesus geležies lydiniuose su seismologiniais apribojimais ir siūlo siauresnį langą branduolio chemijai, lydymosi elgsenai ir sąlygoms, reikalingoms vidiniam branduoliui užšalti.
Mokslinis fonas: struktūra, seismologija ir meteoritų chemija
Žemės branduolys yra suskirstytas į kietą vidinį branduolį ir skystą išorinį branduolį. Seismologija — žemės drebėjimų bangų sklidimo tyrimas — nustato vidinio branduolio spindulį ir pateikia apribojimus dėl tankio bei bangos greičių. Laboratoriniai mineralų ir metalų matavimai esant aukštiems slėgiams leidžia daryti prielaidas, kokie elementų mišiniai atitinka stebimus seismologinius signalus.
Meteoritai suteikia papildomą, nors ir platesnį, apribojimą. Kai kurie meteoritai yra ankstyvosios planetinės medžiagos fragmentai ir pateikia tikėtiną pradinę sudėtį Žemės statybinėms dalelėms. Meteoritų chemija rodo, kad branduolys turėtų būti daugiausia geležies ir nikeliu, su keliais procentais lengvesnių elementų, tokių kaip silicis, siera, deguonis ar anglis. Vis dėlto meteoritų duomenys nėra pakankamai specifiniai, kad būtų galima tiksliai nustatyti proporcijas.
Seisminiai duomenys rodo, kad branduolio tankis esant branduolio slėgiams yra maždaug 10 procentų mažesnis nei grynos geležies, o skystasis išorinis branduolys yra mažesnio tankio nei kietasis vidinis branduolys. Tik tam tikros lydinių kombinacijos atitinka šiuos tankio ir greičio reikalavimus. Vis dėlto tarp kandidatinių sudėčių prognozuojami lydymosi temperatūrų skirtumai gali siekti šimtus laipsnių Celsijaus, o tai riboja mūsų galimybes nustatyti vidinio branduolio temperatūrą ir jo kristalizacijos laiką.
Naujas apribojimas iš mineralinės fizikos ir anglies vaidmuo
Pastarasis tyrimas taiko mineralinės fizikos simuliacijas nukleacijos procesui — kaip atomai skystyje pradeda organizuotis į kietą kristalą. Metaliniuose lydiniuose skirtingos lengvųjų elementų priemaišos keičia, kaip lengvai skystis gali pradėti užšalti. Kai kuriems lydiniams reikia reikšmingo superatšalimo žemiau pusiausvyros lydymosi temperatūros, kol prasideda kietėjimas; kiti kristalizuojasi lengviau.
Tyrime modeliuoti geležies-anglies lydiniai esant branduoliui būdingam slėgiui ir temperatūrai ir apskaičiuota, kiek reikia superatšalimo norint inicijuoti kietų geležies fazių nukleaciją. Rezultatai rodo, kad anglies masės dalis stipriai veikia reikiamą superatšalimo dydį. Jei branduolyje būtų apie 2,4 proc. anglies pagal masę, inicijuoti vidinio branduolio užšalimą reikėtų maždaug 420 laipsnių C superatšalimo. Anglies padidėjimas iki maždaug 3,8 proc. sumažina reikiamą superatšalimą iki apie 266 laipsnių C — vis dar reikšminga vertė, bet daug labiau suderinta su Žemės šiluminės evoliucijos modeliais.
Šie skaičiai nustato naują apribojimą: ne visos sudėtys, atitinkančios seismologinius tankius, gali realistiškai suformuoti kietą vidinį branduolį, atsižvelgiant į terminius evoliucijos scenarijus. Ypač grynai geležies-anglies branduolys atrodo neatitinkantis seismologinių stebėjimų, nes seismologiniai greičiai reikalauja papildomų lengvųjų elementų. Todėl simuliacijos palankiau vertina mišinius, kuriuose kartu su anglimi ir sieros dalyvauja mažos deguonies ir galbūt silicio koncentracijos.
Padariniai vidinio branduolio temperatūrai ir amžiui
Kadangi vidinio branduolio riba turi atitikti sąlygas, kai temperatūra sutampa su lydymosi temperatūra, geresnis lydymosi elgsenos supratimas susiaurina vidinio branduolio temperatūros įverčius. Tai taip pat pagerina modelius apie tai, kaip greitai branduolys atvėso per geologinį laiką, ir suteikia apribojimų, kada pradėjo kristalizuotis vidinis branduolys — svarbus parametras, siekiant suprasti Žemės magnetinio lauko ilgalaikį stabilumą.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Morales, planetų fizikė, turinti patirties aukšto slėgio eksperimentuose, komentuoja: "Susieti nukleacijos fiziką su branduolio sudėtimi yra svarbus konceptualus proveržis. Seismologija parodo, kaip branduolys atrodo dideliame mastelyje, tačiau mineralinė fizika gali apriboti, kurie mišiniai yra fiziškai įmanomi, kai kalbama apie kietojo vidinio branduolio susidarymą. Pasiūlymas, kad nedidelė anglies dalis kartu su deguonimi ar siliciu geriau paaiškina vidinio branduolio formavimąsi, padeda sujungti laboratorinius tyrimus ir geofizikines stebėjimus."
Ši perspektyva atspindi, kaip skirtingos metodikos artėja viena prie kitos. Seismologija suteikia struktūrinius apribojimus, meteoritai pateikia sudėtinius galimus pradmenis, o mineralinės fizikos simuliacijos dabar siūlo dinaminius apribojimus tam, kaip branduolys iš tikrųjų gali užšalti.
Ateities kryptys ir technologinis kontekstas
Šių išvadų patvirtinimui reikės papildomų požiūrių. Aukšto slėgio ir aukštos temperatūros eksperimentai su deimantinėmis prievadomis ir lazeriniu kaitinimu gali tiesiogiai išmatuoti lydymosi ir nukleacijos elgseną mažose mėginiuose. Dinaminio suspaudimo (smūginio ir pakopinio suspaudimo) pažanga leidžia tirti tranzitorinį lydymą ir kietėjimą branduoliui būdingais slėgiais. Tobulesnė seisminė vizualizacija ir tikslesni branduolio savybių matavimai susiaurins makroskopinius apribojimus, kuriuos turi atitikti sudėties modeliai.
Supratimas apie branduolio sudėtį ir užšalimo procesus taip pat svarbus palyginti su kitomis planetomis. Tos pačios principinės taisyklės galioja kitoms kietosioms planetoms ir didelėms egzoplanetoms: branduolio chemija veikia magnetinio lauko generavimą, šiluminę istoriją ir vidinę dinamiką. Jei anglis vaidina reikšmingą rolę Žemės branduolyje, tai gali būti svarbus kintamasis planetų evoliucijos modeliuose visame Saulės sistemoje.
Išvados
Naujos mineralinės fizikos simuliacijos rodo, kad anglis, kartu su kitais lengvaisiais elementais, tokiais kaip deguonis ir silicis, gali reikšmingai įtakoti, kada ir kaip pradėjo kietėti Žemės vidinis branduolys. Surišus atominius nukleacijos procesus su seismologiniais ir meteoritiniais apribojimais, tyrimas susiaurina tikėtinų branduolio sudėčių spektrą ir suteikia naują kelią vidinio branduolio temperatūros ir amžiaus įverčiams. Tolimesni laboratoriniai eksperimentai, aukšto slėgio metodai ir seismologinės stebėsenos bus reikalingi šių išvadų patvirtinimui ir tobulinimui, tačiau šis požiūris žymi svarbų žingsnį siekiant išspręsti ilgalaikius klausimus apie Žemės gilausjo interjero sudėtį ir evoliuciją.
Quelle: theconversation
Kommentar hinterlassen