děkuji za přihlášení k EOS Buzz.,

Rozvíjející se výzkum z vysokého tlaku a vysoké teploty experimenty naznačují, že Země má vnitřní jádro by mohlo být „planetární zlato“ těsně pod miliardu let mladší než Země, oceánů, atmosféry a obyvatel.,

Tyto nálezy představují změnila od toho, jak si vědci mysleli, že Země má vnitřní jádro postupoval z jeho roztavené počátků do současnosti—a zdroj sporné debaty mezi geologů.

nejistota spočívá v protichůdných měřeních základních vlastností kovu. Není jasné, jak efektivně železo a slitiny železa vedou teplo uvnitř jádra, což vědcům ztěžuje popis toho, jak se jádro v průběhu času ochladilo. Minerální fyzici, geofyzici, fyzici kondenzované hmoty a dynamici se všichni snaží najít odpověď.,

“ v tuto chvíli je to velmi provokativní doba, řekl bych, pokud jde o základní studie,“ řekl Quentin Williams, profesor zemských a planetárních věd na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz.

v posledním desetiletí vědci vynalezli nové způsoby, jak stlačit vzorky kovů k extrémním tlakům při fotografování laserů, aby vzorky zahřály na teploty tak horké jako sluneční povrch. Experimenty jsou však složité a shoda je nepolapitelná., Ve stejném čísle časopisu Nature, Červen 2016, dva výzkumné týmy publikovaly výsledky samostatných vysokotlakých, vysokoteplotních experimentů-s drasticky odlišnými výsledky.

„je to velmi důležité téma, protože je to v podstatě hraniční podmínka pro tepelnou historii země,“ řekl Ronald Cohen, výzkumný pracovník Carnegie Institution for Science ve Washingtonu, D. C., Odpověď by mohla přepsat naše chápání historie Země, dláždit cestu objevům v dynamice země na povrchu, jako je vulkanismus a desková tektonika, a pomáhá objasnit vzdálené světy.

elektrický generátor země

“ myslím, že všichni souhlasí s tím, že plášť i jádro ochlazují,“ řekl Peter Olson, doplňkový profesor zemských a planetárních věd na University of New Mexico. „Chtěli bychom vědět lépe, jak rychle.,“

zemské jádro je vyrobeno převážně ze železa a je rozděleno na dvě části: malou krystalizovanou kouli tvrzeného železa ve středu Země, nazývanou vnitřní jádro, a tekuté vnější jádro, které obklopuje vnitřní jádro „roilingovou hmotou roztaveného kovu“, řekl Williams. Vědci předpokládali vnitřní a vnější jádra železa od 19. století na základě složení meteoritů.

můžeme poděkovat jádru za vzkvétající život na Zemi., Konvekce ve vnějším jádru udržuje magnetické pole, které nás chrání před drsným slunečním zářením a udržuje naši atmosféru neporušenou. Jak tekuté železo protéká slabým magnetickým polem, vytváří elektrický proud uvnitř planety. Na druhé straně tento proud indukuje sekundární magnetické pole, které dále indukuje proud uvnitř jádra. Tato smyčka vytváří planetární elektrický generátor v srdci naší planety zvaný geodynamo.,

vědci předpokládali, že vnitřní jádro musí být velmi staré, protože výzkum vracející se desetiletí našel otisky prstů geodynamo v nejstarších přežívajících skalách na Zemi, které se datují téměř 4 miliardy let.

a opravdu, myšlenka starého vnitřního jádra „zněla rozumně,“ řekl Kei Hirose, profesor geofyziky na Tokijské univerzitě a ředitel institutu vědy o životě na Tokijském technologickém institutu. Zkontroloval důležitou krabici: staré vnitřní jádro pohánělo geodynamo miliardy let řízením tepelné konvekce ve vnějším jádru.,

metalurgie půjčuje ruku

ale Hirose si všiml, že jen málo lidí měřilo tepelnou vodivost železa za extrémních podmínek a několik studií, které byly dokončeny, pomocí experimentů s rázovou vlnou, mělo velké nejistoty a nebylo snadno reprodukovatelné. Tepelná vodivost by mohla být klíčovou hodnotou pro připnutí dynamiky jádra: jádro se ochlazuje konvekcí i vedením a jak rychle řídí teplo, kolik tepla zbývá k pohonu konvekce.,

vědecká literatura uvádí hodnoty vodivosti, ale hodnoty byly „vysoce spekulativní“, řekl Hirose. Místo toho se tým obrátil na výzkum z jiného oboru než na vědu založenou na starověkých civilizacích: metalurgii. Metalurgie je studium kovů a její počátky sahají až do raných lidských sídel, kdy kování kovů bylo vstupenkou k opevnění armád. Metalurgie dnes žije jako obor materiálové vědy pověřený zpracováním minerálů a kovů.

„taková literatura nebyla v komunitě geoscience známa,“ řekl Hirose., Česání prostřednictvím metalurgie papíry a vedení vysoké teploty experimenty v laboratoři, Hirose tým dospěl k závěru, že předpokládané vztahy mezi elektrickým odporem a žehlička se rozbila při vysokých teplotách, což naznačuje, že tepelná vodivost železa je vlastně docela vysoká. Pokud byla jejich zjištění správná, jádro velmi, velmi rychle chladilo.

nález „zlomil všechny modely,“ řekl John Hernlund, profesor a viceprezident Ústavu vědy o životě země., Hernlund, Hirose a další napsali zjištění v bombshell paper v roce 2013, která „vytvořila virtuální zemětřesení v komunitě geofyziky,“ řekl Hernlund.

v perspektivě publikované v časopise Science později toho roku, Olson pojmenoval problém “ nový paradox jádra.“Pokud se jádro ochlazuje mnohem rychleji, než jsme si mysleli, „nejlepší způsob, jak tento paradox obejít, je přemýšlet nad rámec standardního modelu vývoje jádra,“ napsal Olson. Pokud bylo vnitřní jádro ve skutečnosti velmi mladé, vědci potřebovali lépe vysvětlit, jak je geodynamo poháněno.,

Diamond-Oděné Laboratorní Práce

Věda papíru vyvolala příval nových experimentů a vyšetřování teorie.

dva dokumenty vydané ve stejném čísle Nature v roce 2016 ukázaly experimentální převzetí tepelného chování jádra.

autoři obou dokumentů použili diamantové kovadliny, vysokotlaké laboratorní zařízení. Buňky obsahují dva diamanty, dokonale vyleštěné do kuželů s oholenými špičkami. Vědci umístí tenký plátek železa—ne tlustší než lidské vlasy-mezi hroty diamantů.

po celá desetiletí vědci využili nejtvrdšího minerálu země, diamantu, pro laboratorní experimenty., Žádný jiný minerál ho nemůže poškrábat, a když jsou dva protichůdné diamanty dokonale zarovnány, mohou špetku železa přitlačit k tlakům mnohem větším než ty z jádra Země.

Hirose, kteří často používají diamantové kovadliny buňky v laboratoři, řekl, že i když diamanty jsou silné, nejmenší odchylky v tvaru může způsobit jejich prasknutí při vysoké tlaky. Expertní leštidla vyhlazují strany diamantů do 1 mikrometru, šířky malé bakterie. Hirose nazval jednoho zvláště zkušeného technika „naším pokladem“, protože málokdo může dosáhnout takové přesnosti.,

diamanty mají také další plus: vědci mohou střílet lasery přes jejich průsvitné strany, aby do vzorku poslali puls tepla. Obě studie používaly lasery k ohřevu svých vzorků na tisíce Kelvinů.

příběh dvou dokumentů

V jednom z experimentů s diamantovou kovadlinou, tým ve Washingtonu, DC, změřil tepelnou vodivost železa pomocí dvou laserů, aby rychle zahříval vzorek a změřil jeho odvozenou změnu teploty.,

V další experiment, jiný výzkumný tým se sídlem v Tokiu měří železa je elektrická vodivost, vlastnost úzce souvisí s tepelnou vodivostí, a pak se používá empirický vztah pro výpočet tepelné vodivosti.

dokumenty nalezly protichůdné výsledky a jejich nesrovnalosti odhalují, jak obtížné mohou být vysokotlaké experimenty. Tokijská skupina navrhla hodnotu tepelné vodivosti 88 (+29/-13) wattů na metr kelvin na hranici jádra pláště, zatímco skupina Washington DC navrhla 25 (±7) wattů na metr kelvin., Rozdíl v hodnotách se může zdát malý, ale může znamenat rozdíl mezi vnitřním jádrem, které je staré miliardy let, a relativním nováčkem ve vnitřní struktuře Země.

experimentální rozdíly “ mohou mít co do činění s preferovanou orientací krystalů ve vzorcích,“ řekl Stewart McWilliams, výzkumný pracovník na univerzitě v Edinburghu a spoluautor studie týmu se sídlem ve Washingtonu DC.,

Hirose, který vedl tým v Japonsku, souhlasil s tím, že tlak použitý ke kompresi vzorků ovlivní orientaci krystalových zrn v železe a oba týmy skutečně provedly měření kolmo k sobě.

Stewart řekl, že on a další se nyní zaměřují na modelování systematických chyb v experimentech, které by mohly zkreslit měření. Tyto chyby „jdou trochu“ při vysvětlování nesrovnalostí, „ale ne dost,“ řekl.

čas ukáže, zda je odpověď prostřední země., Quentin Williams, který nebyl zapojen v jedné studii a zveřejnila recenzi tepelné vodivosti výzkumu v časopise Annual Reviews of Earth and Planetary Sciences, napsal, že „přesto, když uznává, že střední tvrzení jsou vysoce nebezpečné. to by nemělo být překvapivé (autora) je-li tepelná vodivost hodnoty, s lepší teoretické a experimentální vylepšení, nakonec spojily, aby hodnoty v širokém rozmezí 35 až 80 wattů na metr kelvin na podmínky v horní části vnější jádro.,“

Kompoziční Kompromis

Když Země splynuly z homogenní hromady do jeho diferencované, vrstvené státu, jeho hmotného odděleny hustoty. Vznášející se materiál, jako je voda, vzduch a křemičitany, zůstal nahoře a uprostřed a hustý materiál, jako je železo, se potopil do středu.

ale podle seismického výzkumu, který sahá až do poloviny 20. století, není jádro Země čistým železem., Seismická měření ukazují, že je asi o 10% méně hustá než čisté železo a je složena ze slitin pravděpodobně včetně niklu a některých speciálních receptur lehčích prvků, možná křemíku, kyslíku, hořčíku a uhlíku.

to by však mohla být dobrá zpráva pro Core paradox. Přítomnost lehčích prvků může pohánět konvekci v jádru, což dává geodynamo zdroj konvekce, i když je tepelná konvekce příliš slabá. Pokud lehčí prvky způsobují konvekci, tento zdroj vztlaku dává práci kolem jádra paradoxu.,

Cohen, Hirose a mnoho dalších zkoumají vliv lehčích prvků na transport tepla v jádru. „Je to naprosto otevřená otázka,“ řekl Hirose.

nové následné studie také zvyšují ante. Kenji Ohta, docent v oblasti země a planetárních věd na Tokijském technologickém institutu, řekl, že jeho laboratoř zkoumá způsob, jak roztavit vzorky při vysokých teplotách a tlacích, což vědce přibližuje o krok blíže k napodobování tekutého vnějšího jádra Země. Minulé studie byly většinou prováděny na pevných vzorcích.,

„je to vzrušující věc,“ řekl Williams o závodě, aby našel odpověď. Otázka jádra a tepelného vývoje Země “ bude pro komunitu představovat výzvu pro příštích 15 let.“

„je to klíčový problém v evoluci země a vývoji našeho magnetického pole,“ dodal Williams. „Je to něco, co nakonec musí být vyřešeno. A tak, když jsou takové výzvy kladeny komunitě, někdy jsou zodpovězeny pomalu, protože získání dobré odpovědi je obtížné. Ale nakonec budou zodpovězeny. Jsem v tom hodně optimistický.,“

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), Zaměstnanci Spisovatel

Poděkování

Eos díky naší vědy poradce Sébastien Merkelová, Minerálů a nerostů Fyzika, pomáhá rozvíjet naše července Speciální Téma, na Vysoký Tlak, Vysoké Teploty Experimenty, které obsahuje tento článek.