6 Minutės
Nauji aukšto slėgio eksperimentai rodo, kad Žemės vidinis branduolys gali būti ne įprastas kietasis kūnas, o hibridinis, superioninis materijos būvis: geležis išlieka kristalinė, o lengvieji elementai, tokie kaip anglis, juda per ją lyg skystis. Šis netikėtas elgesys suteikia logišką paaiškinimą seismologinėms anomalijoms, kurios dešimtmečiais kėlė klausimų geoscientams ir seismologams.
Idėja, jog žemės vidus gali būti superioninis, iš esmės keičia tradicinį požiūrį į branduolio mechaniką. Superioninis branduolys reikštų, kad geležinė karkaso struktūra išlaiko ilgąją atstumų kristalinę tvarką, o anglies ir kitų lengvųjų elementų difuzija vyksta dinamiškai ir su skysčio pobūdžiu. Nauji bandymai rodo, jog toks būvis reikšmingai minkština branduolį, ir tai dera su seismologiniais duomenimis, kurie anksčiau atrodė prieštaringi, aiškinant juos vien tik gryno geležies ar klasikinių lydinių modeliais.
Kitoks kietasis kūnas: kas yra superioninė materija?
Įprastai kietieji kūnai suvokiami kaip atominiai tinkleliai, kuriuose atomai yra stabilūs ir beveik nekinta vietoje. Superioninė materija sulaužo šią intuityvią sampratą. Superioniniame fazės būsenoje vienas potinklis—dažniausiai sudarytas iš sunkesnių atomų, pvz., geležies—išlaiko ilgų atstumų kristalinį tvarkingumą, tuo tarpu lengvieji atomai juda laisvai per tarpuosius tarpus (intersticijas), elgdamiesi labiau kaip skystis nei kaip fiksuotos pozicijos komponentai. Taigi susidaro medžiaga, kuri vienu metu demonstruoja kietosios ir skystosios fazės požymius skirtingu mastu.
Pritaikius šią koncepciją Žemės vidiniam branduoliui, galima įsivaizduoti heksagoninį artimai supakuotą (hcp) geležies karkasą, kuris išlieka tvarkingas, o anglies atomai greitai difunduoja tarp kristalinių tinklo vietų. Mechaninis poveikis yra reikšmingas: sumažėja kirpimo (S) bangų pasipriešinimas, sulėtėja seismologinės skersinės bangos, o efektyvus Poisson'o santykis pakyla—tokių požymių seismologai pastebi ilgą laiką ir kuriuos sunku paaiškinti tradiciniais modeliais, kur dominuoja gryna geležis arba paprasti lydiniai.
Branduolio sąlygų atkūrimas: smūginės kompresijos eksperimentas
Tyrėjų grupė, vadovaujama prof. Youjun Zhang ir dr. Yuqian Huang (Sichuan universitetas), kartu su prof. Yu He (Įvairių geochemijos institutas, Kinijos mokslų akademija), panaudojo dinaminę smūginės kompresijos platformą, kad geležies–anglies pavyzdžius išvestų į tokias kraštutinio didelio slėgio ir temperatūros sąlygas, kokios vyrauja Žemės centre. Pavyzdžiai buvo pagreitinti maždaug iki 7 kilometrų per sekundę, generuojant viršutinius slėgius arti 140 gigapaskalių ir temperatūras iki maždaug 2600 kelvinų—parametrai, palyginami su vidinio branduolio sąlygomis.
Kaip buvo matuojamas efektas
Bandant tokias trumpalaikes, bet intensyvias sąlygas, komanda derino in situ garso greičio (molingumo) matavimus su molekulinių dinamikos (MD) simuliacijomis ir atomine analize. Eksperimentiškai užregistruotas ryškus kritimas kirpimo bangos greičiu ir akivaizdus Poisson'o santykio šuolis—būtent tokie seismologiniai parašo pavyzdžiai, kuriuos fiksuoja giluminės Žemės tyrimai. Atominiu lygiu simuliacijos bei struktūriniai tyrimai rodė anglies atomų difuziją su skystam pobūdžiui artima mobiliškumu viduje nepažeisto geležies tinklo, kas atitinka superioninio fazės aprašymą.
Geležies atomai suformuoja standžią heksagoninę artimai supakuotą (hcp) struktūrą, kurios dalis atomų demonstruoja kolektyvinį judėjimą [100] ir [010] kryptimis. Šioje hcp geležies tinklo matricoje intersticiniai lengvieji elementai (pvz., anglis) laisvai difunduoja skystam būviui artimu elgesiu, tuo tarpu substituciniai lengvieji elementai išlieka pririšti prie savo pakeitimo (substitucijos) tinklo vietų. Dėl to Žemės vidinis branduolys egzistuoja hibridiniame būsenoje, kuri vienu metu turi kietųjų ir skystų savybių. Autorių nuotr. Credit: Huang et al.
Kodėl tai svarbu seizmologijai ir geodinamui
Seismologiniai stebėjimai rodo, kad vidinis branduolys perduoda kirpimo bangas lėčiau negu būtų tikėtasi iš tankios grynos geležies; jo Poisson'o santykis yra nenormaliai aukštas—daug arčiau minkštųjų metalų ar net kai kurių polimerų parametru nei standžiojo plieno. Superioninis modelis natūraliai paaiškina abu šiuos reiškinius: mobilūs anglies atomai sumažina kirpimo standumą, tuo pačiu neišardydami geležies kristalinio karkaso, taip sukurdami mechaninį „įrašą“, kurį registruoja seisminės sistemos.
Be seisminių savybių, lengvųjų elementų mobilumas gali turėti platesnių poveikių vidinėms planetos dinamikoms. Anglies ir kitų lengvųjų rūšių difuzija gali prisidėti prie cheminio transporto branduolyje, įtakoti anizotropiją (kryptinį skirtumą seisminių bangų greičiuose) ir net suteikti papildomos energijos geodinaminėms procesams—įskaitant mechanizmus, kurie palaiko Žemės magnetinį lauką. Dr. Huang atkreipia dėmesį, kad atominio masto judėjimas vidiniame branduolyje gali būti subtilus, bet reikšmingas energijos rezervuaras planetinei magnetinei veiklai, ir šis atsarginis šaltinis gali reikšmingai pakeisti mūsų supratimą apie geodinamo efektyvumą ir energetiką.
Platesnės pasekmės: planetų vidus ir medžiagų mokslas
Toks atradimas pertvarko, kaip modeliuojame planetų vidaus procesus. Jei intersticiniai lengvieji elementai formuoja superionines fazes esant itin aukštam slėgiui ir temperatūrai, panašus elgesys gali pasireikšti ir kitų uolėtų planetų ar didelių egzoplanetų viduje. Tai turėtų įtakos jų terminėms evoliucijoms, magnetinių laukų formavimuisi bei seisminiams parašams. Todėl planetologija ir egzoplanetų tyrimai turėtų atsižvelgti į galimybę, kad superioninė konversija yra ne reta anomalija, o gana paplitęs reiškinys tarp tankių, geologiškai aktyvių kūnų.
Medžiagų mokslui šie eksperimentai yra vertingi dėl dviejų priežasčių. Pirma, jie demonstruoja, kaip ekstremalių sąlygų sąveikos gali atskleisti netikėtas materijos būsenas, kurių nepavyktų rasti standartinėmis laboratorinėmis sąlygomis. Antra, superioninės fazės gali nurodyti naujus aukšto slėgio medžiagų klases su mišriu transporto charakteriu—kur vieni jonai išlieka stacionarūs, o kiti turi aukštą mobilumą. Tokios savybės gali būti aktualios ne tik geofizikai, bet ir technologijoms, susijusioms su jonų laidumu, aukštu slėgiu veikiančiomis keramikomis, bei naujų tipų katalizatoriais ar energijos kaupimo medžiagomis.
Ekspertų įžvalgos
„Šis darbas suteikia konkrečią mechaniką, leidžiančią suderinti seismologinius stebėjimus su branduolio chemija,“ teigia hipotetinė planetų fizikė dr. Elena Morrison, kuri nebuvo susijusi su tyrimu. „Mintis, kad anglis gali elgtis kaip greitai judantis skystis, tuo tarpu geležis išlieka kristalinė, verčia iš naujo peržiūrėti vidinio branduolio dinamiką ir persvarstyti magnetinio lauko modelius, kurie anksčiau rėmėsi konservatyvesnėmis prielaidomis.“
Prof. Zhang trumpai apibendrino reikšmę: „Pirmąkart eksperimentais įrodėme, jog geležies–anglies lydinys branduolio sąlygomis parodo ypatingai mažą kirpimo greitį. Anglies atomai tampa itin mobilūs, difunduodami per kristalinį geležies karkasą lyg vaikai, laisvai judantys šokių aikštelėje, tuo tarpu pati geležis išlieka kieta ir tvarkinga.“
Ateities tyrimai apims daugiau lengvųjų elementų—deguonį, sierą, silikoną—taip pat maišytų intersticinių ir substitucinių cheminių sąveikų įtaką superioniniam elgesiui. Reikės patobulintų seisminių inversijų, pratęstų aukšto slėgio eksperimentų ir detalesnių skaitinių modelių, kad būtų galima tiksliau nubrėžti branduolio sudėtį bei dinamiką. Be to, tarptautinė mokslinė bendruomenė turėtų koordinuoti laboratorinius duomenis su geofiziniais stebėjimais, siekiant patikrinti superioninio modelio suderinamumą su ilgiausio laikotarpio geofiziniais matavimais.
Superioninio elgesio aptikimas Žemės gilumoje yra ne vien siauras mineraloginis radinys. Jis jungia laboratorinę fiziką, seismologiją, planetinę magnetiką ir medžiagų mokslą, siūlydamas vieningą paaiškinimą anomalijoms, kurios egzistavo dešimtmečiais, ir atveria naujas kryptis planetų vidų tyrimuose bei aukšto slėgio medžiagų dizainui.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą