6 Minutės
Kodėl Žemės branduolys svarbus ir kas lieka neaišku
Geležimi turtingas branduolys Žemės centre yra kertinis planetos ilgalaikei raidai. Jis palaiko geodinamo procesą, kuris generuoja magnetinį lauką ir saugo atmosferą bei vandenynus nuo Saulės vėjo ir kosminės spinduliuotės. Iš branduolio išsiskirianti šiluma taip pat skatina mantijos konvekciją ir tektoniką — procesus, formavusius žemynus ir darančius įtaką klimatui per geologinį laiką.
Nepaisant šios svarbos, daugelis branduolio pagrindinių savybių išlieka neaiškios. Mokslininkai dar nesutaria dėl vidinio branduolio tikslios temperatūros, tikslaus lengvųjų elementų mišinio ar kada ir kaip anksčiau skystas branduolys ėmėsi kietėti. Tiesioginis mėginių paėmimas neįmanomas, todėl tyrėjai remiasi netiesioginiais įrodymais ir eksperimentiškai atkurdami itin aukštą slėgį bei temperatūrą.
Neseniai atliktas tyrimas, pasitelkęs mineralų fizikos modeliavimą, siūlo anksčiau mažiau įvertintą kintamąjį, galintį padėti išspręsti šias nežinomybės: anglis. Šis darbas sieja atominius elgesio modelius geležies lydiniuose su seismologiniais apribojimais ir suteikia siauresnį langą branduolio chemijai, lydymosi elgsenai ir sąlygoms, reikalingoms vidinio branduolio užšalimui.
Mokslinis pagrindas: struktūra, seismologija ir meteoritų chemija
Žemės branduolys skirstomas į kietą vidinį branduolį ir skystą išorinį branduolį. Seismologija — žemės drebėjimų bangų plitimo per Žemę tyrimas — nustato vidinio branduolio spindulį ir pateikia duomenis apie tankį bei seismines greičio charakteristikas. Laboratoriniai mineralų ir metalų matavimai esant aukštam slėgiui leidžia spėti, kokie elementų mišiniai atitinka stebimus seismologinius signalus.
Meteoritai suteikia papildomą, nors ir platesnį, apribojimą. Kai kurie meteoritai yra ankstyvosios planetinės medžiagos fragmentai ir gali parodyti pradinę Žemės statybinių blokų sudėtį. Meteoritų chemija nurodo, kad branduolys turėtų būti daugiausia iš geležies ir nikeliu, su keliais masės procentais lengvųjų elementų, tokių kaip silicis, siera, deguonis ar anglis. Tačiau meteoritų duomenys nėra pakankamai konkretūs, kad nustatytų tikslias proporcijas.
Seisminiai duomenys rodo, kad branduolio tankis prie branduolio slėgių yra maždaug 10 procentų mažesnis nei grynos geležies, ir kad skystas išorinis branduolys yra mažesnio tankio nei kietasis vidinis branduolys. Tik specifiniai lydinių deriniai atitinka šiuos tankio ir greičio reikalavimus. Vis dėlto tarp kandidatų sudėčių numatomos lydymosi temperatūros gali skirtis šimtais laipsnių Celsijaus, kas riboja mūsų galimybę nustatyti vidinio branduolio temperatūrą ir jo kristalizacijos laiką.
Naujas apribojimas iš mineralų fizikos ir anglies vaidmuo
Pastarasis tyrimas taiko mineralų fizikos modeliavimą į nukleacijos procesą — tai, kaip atomai skystyje pradeda organizuotis į kietą kristalą. Metalo lydiniuose skirtingas lengvųjų elementų priedas keičia, kiek lengvai skystis gali pradėti užšalti. Kai kurie lydiniai reikalauja reikšmingo peršalimo žemiau pusiausvyros lydymosi temperatūros, kol prasideda kietėjimas; kiti kristalizuojasi daug lengviau.
Tyrimas modeliavo geležies–anglies lydinius esant branduoliui būdingam slėgiui ir temperatūrai ir įvertino reikalingą peršalimo laipsnį, kad prasidėtų kietojo geležies fazių nukleacija. Rezultatai rodo, kad anglies masės dalis stipriai veikia reikiamą peršalimo kiekį. Jei branduolyje būtų apie 2,4 proc. anglies pagal masę, reikėtų maždaug 420 laipsnių Celsijaus peršalimo, kad prasidėtų vidinio branduolio užšalimas. Anglies padidėjimas iki maždaug 3,8 proc. sumažina reikalaujamą peršalimą iki apie 266 laipsnių Celsijaus — vis dar reikšmingas skirtumas, bet daug labiau suderinamas su Žemės terminės evoliucijos modeliais.
Šie skaičiai nustato naują apribojimą: ne visos sudėtys, atitinkančios seisminius tankius, realistiškai gali suformuoti kietą vidinį branduolį pagal tikėtinas šilumines istorijas. Ypač branduolys, sudarytas tik iš geležies ir anglies, atrodo prieštaringas seisminiams stebėjimams, nes seismikos duomenys reikalauja papildomų lengvųjų elementų, kad būtų paaiškinti greičiai. Simuliacijos todėl palankiau vertina mišinius, kuriuose, be anglies ir sieros, yra mažai deguonies ir galbūt silicio.
Pasekmės vidinio branduolio temperatūrai ir amžiui
Kadangi vidinio branduolio riba turi atitikti sąlygas, kur temperatūra lygi lydymosi temperatūrai, geresnis lydymosi elgsenos supratimas susiaurina vidinio branduolio temperatūros įvertinimus. Tai savo ruožtu gerina modelius, kaip greitai branduolys atvėso per geologinį laiką, ir suteikia apribojimus, kada vidinis branduolys pradėjo kristalizuotis — svarbų parametrą suprasti ilgalaikį Žemės magnetinio lauko stabilumą.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Morales, planetų fizikos specialistė, turinti patirties eksperimentuose esant aukštam slėgiui, komentuoja: "Nukleacijos fizikos susiejimas su branduolio sudėtimi yra svarbus konceptualus žingsnis. Seismologija mums rodo, kaip branduolys atrodo dideliu mastu, tačiau mineralų fizika gali apriboti, kurie mišiniai yra fiziškai realūs, 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 geofizikinius stebėjimus."
Ši perspektyva atspindi, kaip skirtingi metodai konverguoja. Seismologija suteikia struktūrinius apribojimus, meteoritai pateikia sudėties galimus variantus, o mineralų fizikos modeliavimas dabar siūlo dinaminius apribojimus tam, kaip branduolys iš tikrųjų gali užšalti.
Ateities kryptys ir technologinis kontekstas
Šių išvadų patikrinimui reikės papildomų požiūrių. Aukštam slėgiui ir temperatūrai skirti eksperimentai, naudojant deimantinius prispaudimo ląstelius ir lazerinį kaitinimą, gali tiesiogiai išmatuoti lydymąsi ir nukleacijos elgseną mažuose mėginiuose. Dinaminio suspaudimo pažanga (smūginis ir palaipsnis suspaudimas) leidžia tyrėjams tirti pereinamąjį lydymąsi ir kietėjimą branduoliams būdingame slėgyje. Pagerinta seisminė vaizdavimas ir tikslesni branduolio savybių matavimai sugriežtins makroskopinius apribojimus, kuriuos turi atitikti sudėties modeliai.
Branduolio sudėties ir užšalimo supratimas taip pat svarbus palyginimams su kitomis planetomis. Tos pačios principai taikomi kitoms uolinėms planetoms ir dideliems egzoplanetoms: branduolio chemija veikia magnetinio lauko generavimą, terminę istoriją ir vidaus dinamiką. Jei anglies vaidmuo Žemės branduolyje yra reikšmingas, tai gali būti svarbus kintamasis planetų evoliucijos modeliuose visame Saulės sistemoje.
Išvados
Neseniai atliktos mineralų fizikos simuliacijos rodo, kad anglis, kartu su kitais lengvaisiais elementais, tokiais kaip deguonis ir silicis, gali reikšmingai paveikti, kada ir kaip vidinis Žemės branduolys pradėjo užšalti. Surišdami atomų lygmens nukleacijos elgseną su seismologiniais ir meteoritiniais apribojimais, tyrimas susiaurina tikėtinų branduolio sudėčių diapazoną ir siūlo naują kelią vidinio branduolio temperatūros ir amžiaus įvertinimui. Reikės tęsiamų laboratorinių eksperimentų, aukšto slėgio technikų ir seisminių stebėjimų, kad šios išvados būtų patvirtintos ir patikslintos, tačiau ši prieiga žymi svarbų žingsnį link ilgai kėlusių klausimų sprendimo apie Žemės giluminės sandaros sudėtį ir raidą.
Šaltinis: theconversation
Komentarai