6 Minutės
Naujas apribojimas branduolio chemijai: anglis kaip užšalimo veiksnys
Žemės karikatūra su pjūviu, rodanti mantiją bei vidinį ir išorinį branduolius. Magnetinės linijos, kurias kuria geodinama, tęsiasi į kosmosą ir sąveikauja su saulės vėju.
Tarptautinė komanda iš Oksfordo universiteto, Liudso universiteto ir University College London praneša, kad anglis gali būti lemiamas komponentas, leidęs Žemės skystam išoriniam branduoliui užšalti ir susidaryti kietąjį vidinį branduolį, kurį stebime šiandien. Straipsnis, paskelbtas Nature Communications 2025 m. rugsėjo 4 d., pateikia kiekybinį apribojimą branduolio sudėčiai: maždaug 3,8 procento branduolio masės anglies sumažintų reikalingą superatšalimo laipsnį iki verčių, suderinamų su paleomagnetiniais ir geofiziniais duomenimis.
Suprasti, kodėl ir kaip susiformavo vidinis branduolys, svarbu, nes vidinio branduolio augimas skatina išorinės branduolio dalies konvekciją, kuri maitina geodynamą — magnetinį lauką, saugantį Žemę nuo saulės ir kosminių dalelių spinduliuotės ir padėjusį išlaikyti gyvybę ant paviršiaus.
Mokslinis fonas: superatšalimas, nukleacija ir branduolio sudėtis
Kietojo vidinio branduolio susidarymas nėra vien temperatūros perkirtimo prie lydimosios ribos klausimas. Kristalizacijos pradžią kontroliuoja nukleacijos fizika. Skysti geležies lydiniai gali būti superatšalę gerokai žemiau pusiausvyros lydimosios temperatūros prieš atsirandant kristalams; klasikiniu pavyzdžiu yra debesų lašeliai, kurie gali atvėsti žemiau 0 °C, nesušalę.
Ankstesni teoriniai darbai nurodė, kad grynam geležies branduoliui kristalams susidaryti reikėtų ekstremalaus superatšalimo — maždaug 800–1000 °C. Toks scenarijus prieštarauja geofiziniams orientyrams: jei Žemės branduolys būtų buvęs taip stipriai superatšalęs, modeliai prognozuoja labai spartų vidinio branduolio augimą ir planetinio magnetinio lauko žlugimą, kas neatitinka paleomagnetinių ar seisminių įrašų. Nepriklausomi tyrimai rodo, kad praeityje superatšalimas buvo ribotas — maždaug iki 250 °C žemiau lydimosios temperatūros.
Šis neatitikimas pabrėžia lengvųjų elementų reikšmę branduolyje. Seisminiai duomenys jau rodo, kad branduolys yra mažiau tankus nei gryna geležis, todėl tokie elementai kaip silicis, siera, deguonis ir anglis ilgą laiką buvo siūlomi kaip lengvosios sudedamosios dalys. Naujas tyrimas aiškiai modeliuoja, kaip šie lengvieji elementai veikia nukleaciją ir užšalimo kelią esant slėgiams ir temperatūroms, atitinkančioms vidinio branduolio ribą.
Metodai: atomų masto simuliacijos nukleacijos sąlygoms branduolyje
Komanda naudojo didelio masto atomines simuliacijas, sekdama maždaug 100 000 atomų ekstremaliomis slėgio ir temperatūros sąlygomis Žemės gilumoje. Šie molekulinių skalių skaičiavimai leidžia tiesiogiai įvertinti nukleacijos greičius: kaip dažnai mažos kristalinės dėmės susidaro ir auga iš superatšalusio skysčio.
Keisdami lydinio cheminę sudėtį, tyrėjai kiekybiškai įvertino, kaip kiekvienas galimas lengvasis elementas keičia reikalingą superatšalimo laipsnį nukleacijai. Jie testavo mišinius su atitinkamomis silicijos, sieros, deguonies ir anglies koncentracijomis, kad nustatytų, kurios sudėtys gali nukleuoti esant vidutiniam superatšalimui ir atitikti šiandien matomo vidinio branduolio dydį.
Simuliacijos parodė, kad silicis ir siera, priešingai nei kai kurie lūkestys, linkę sulėtinti nukleaciją ir todėl reikalauja didesnio superatšalimo. Tačiau anglis veikia priešingai: ji katalizuoja nukleaciją šiuose geležimi turtinguose lydiniuose, mažindama užšalimo barjerą ir leidžianti vidiniam branduoliui susiformuoti su daug mažesniu superatšalimu.
Pagrindiniai rezultatai ir pasekmės Žemės evoliucijai
Kai komanda modeliavo branduolį, kuriame apie 2,4 procento anglies pagal masę, prognozuotas reikalingas superatšalimas sumažėjo iki maždaug 420 °C — pagerėjimas, bet vis dar aukščiau nei paleomagnetinės ribos. Išplėtus simuliacijų rezultatus iki branduolio sudėties, turinčios maždaug 3,8 procento anglies, gautas reikalingas superatšalimas maždaug 266 °C, kas sutampa su nepriklausomais orientyrais ir su dabartiniu vidinio branduolio dydžiu.
Ši sudėtis yra vienintelė, nustatyta tyrime, kuri vienu metu paaiškina tiek nukleacijos elgseną, tiek seisminiais duomenimis išvestas vidinio branduolio dimensijas. Rezultatas todėl rodo, kad anglis gali būti reikšmingesnė Žemės branduolio sudedamoji dalis nei manyta anksčiau, ir jog anglis turėjo svarbų vaidmenį leidžiant vidiniam branduoliui nukleuoti ankstyvoje Žemės istorijoje.
Kiti svarbūs padariniai apima:
Magnetinio lauko stabilumas
Vidinio branduolio nukleacija ir tolesnis augimas suteikia energiją ir kompozicinį plūdrumą, kurie varo išorinės branduolio konvekciją ir palaiko geodynamą. Delayed arba neegzistuojantis vidinis branduolys pakeistų magnetinio lauko istoriją, turint pasekmių atmosferos išsaugojimui ir paviršiaus gyvybingumui.
Apribojimai planetų formavimuisi ir lakiųjų pristatymui
Jei Žemės branduolyje yra keli procentai anglies, tai apriboja akrecijos ir lakiųjų komponentų pasiskirstymo modelius planetos formavimosi metu ir gali padėti lyginant su kitais dangiškais akmeniniais kūnais.
Tyrimas taip pat nustato, kad vidinio branduolio užšalimas galėjo vykti be išorinių nukleacijos užuomazgų, nes ankstesniuose modeliuose ištirti kandidatų dalelės ištirptų arba ištirptų branduolio sąlygomis, taip pabrėžiant lydinio chemijos svarbą kaip pagrindinį kontrolinį veiksnį.
Eksperto įžvalga
Dr. Amelia Reyes, planetų fizikė, nedalyvavusi tyrime, pažymi, kad darbas išryškina, kaip atomų masto fizika perauga ir formuoja planetų evoliuciją. Ji komentuoja, kad anglimis turtingas scenarijus yra pagrįstas meteoritine chemija ir siūlo nuoseklų ryšį tarp seisminių stebėjimų, paleomagnetizmo ir branduolio terminodinamikos. Jos nuomone, rezultatas skatina laboratorinius ir stebėjimo bandymus, kurie galėtų toliau tikslinti giliosios Žemės anglies biudžetą.
Tyrimo vadovai pabrėžia platesnę reikšmę, siejant mikroskopinę nukleacijos kinetiką su makroskopiniu planetos elgesiu. Jie taip pat pabrėžia aukštos kokybės simuliacijų vertę nagrinėjant Žemės sritis, kurios yra nepasiekiamos tiesioginiam mėginių ėmimui. Tyrimą rėmė Natural Environment Research Council (NERC).
Išvada
Naujos atomų masto simuliacijos rodo, kad vidutinė, bet reikšminga anglies dalis Žemės branduolyje — maždaug 3,8 procento pagal masę — būtų sumažinusi superatšalimo slenkstį tiek, kad vidinio branduolio nukleacija būtų įvykusi suderinamai su geofiziniais orientyrais. Šis radinys peržiūri anglies vaidmenį branduolio chemijoje, sustiprina mechanistinį ryšį tarp branduolio sudėties ir magnetinio lauko evoliucijos bei pateikia išmatuojamą tikslą būsimiems eksperimentams ir planetų formavimosi modeliams. Aiškindamas, kaip galėjo susiformuoti kietasis vidinis branduolys, šis darbas pagilina mūsų supratimą apie giluminę Žemę ir geodynamikos ilgalaikį stabilumą.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai