Tak fordi du tilmelder dig Eos bu…,

Nye forskning fra højt tryk og høj temperatur eksperimenter, der antyder, at Jordens indre kerne kunne være en “planetarisk babe” lige under en milliard år gammelt, yngre end Jordens oceaner, atmosfære, og indbyggere.,

Disse resultater repræsenterer en drastisk vending fra, hvordan forskerne troede, at Jordens indre kerne er skredet fra sin smeltet begyndelse til i dag—og en kilde til en omstridt debat blandt geofysikere.

usikkerheden ligger i modstridende målinger af metalets grundlæggende egenskaber. Det er uklart, hvor effektivt jern og jernlegeringer leder varme i kernen, hvilket gør det vanskeligt for forskere at beskrive, hvordan kernen er afkølet over tid. Mineralfysikere, geofysikere, kondenserede stoffysikere og dynamikere forsøger alle at fastlægge et svar.,

“Det er en meget provokerende tid i øjeblikket, vil jeg sige, i form af core undersøgelser,” siger Quentin Williams, en Earth and planetary sciences professor ved University of California, Santa Cruz.

i det sidste årti har forskere opfundet nye måder at presse Metalprøver til ekstreme tryk, mens de skyder lasere for at opvarme prøverne til temperaturer så varme som Solens overflade. Eksperimenterne er imidlertid vanskelige, og en konsensus er undvigende., I samme udgave af tidsskriftet Nature, Juni 2016, offentliggjorde to forskerteam resultaterne af separate højtryks-høj temperaturforsøg-med drastisk forskellige resultater.

“Det er et meget vigtigt emne, fordi det er dybest set den grænse betingelse for, at de termiske historie på Jorden,” sagde Ronald Cohen, en forsker ved Carnegie Institution for Science i Washington, D.C., Svaret kunne omskrive vores forståelse af Jordens historie, bane vejen for opdagelser i Jordens dynamik ved overfladen, såsom vulkanisme og pladetektonik, og hjælpe med at belyse fjerne verdener.

Jordens Elektriske Generator

“jeg tror, alle er enige om, at både kappen og kernen er køling,” sagde Peter, Olson, adjungeret professor i Earth and planetary sciences ved University of New Mexico. “Det, vi gerne vil vide bedre, er, hvor hurtigt.,”

Jordens kerne er lavet i høj grad af jern, og det er opdelt i to dele: en lille, krystalliseret kugle af hærdet jern i midten af Jorden, kaldes den indre kerne, og en flydende ydre kerne, der omgiver den indre kerne med en “roiling masse af smeltet metal,” sagde Williams. Forskere har antaget om indre og ydre jernkerner siden det 19.århundrede på grundlag af sammensætningen af meteoritter.

Vi kan takke kernen for det blomstrende liv på jorden., Konvektion i den ydre kerne opretholder magnetfeltet, der beskytter os mod hård solstråling og holder vores atmosfære intakt. Når flydende jern strømmer gennem et svagt magnetfelt, skaber det en elektrisk strøm inde i planeten. Til gengæld inducerer denne strøm et sekundært magnetfelt, som yderligere inducerer en strøm inde i kernen. Denne sløjfe skaber en planetarisk størrelse elektrisk generator i hjertet af vores planet kaldet geodynamo.,

forskere havde antaget, at den indre kerne skal være meget gammel, fordi forskning, der går tilbage årtier, fandt fingeraftryk af geodynamoen i Jordens ældste overlevende klipper, der går tilbage næsten 4 milliarder år.

og faktisk lød ideen om en gammel indre kerne “rimelig,” sagde Kei Hirose, professor i geofysik ved University of Tokyo og direktør for Earth-Life Science Institute ved Tokyo Institute of Technology. Det markerede den vigtige boks: en gammel indre kerne brændte geodynamoen i milliarder af år ved at køre termisk konvektion i den ydre kerne.,

Metallurgi Giver en Hånd

Men Hirose bemærket, at nogle mennesker havde målt varmeledningsevne af jern under ekstreme forhold, og de få undersøgelser, der var blevet afsluttet, ved hjælp af chok bølge eksperimenter, havde store usikkerheder, og de var ikke nemt kan reproduceres. Den termiske ledningsevne kan være en afgørende værdi for at fastgøre kernens dynamik: kernen afkøles via både konvektion og ledning, og hvor hurtigt den udfører varme styrer, hvor meget varme der er tilbage til at drive konvektion.,

den videnskabelige litteratur anførte værdier for ledningsevnen, men værdierne var “meget spekulative,” sagde Hirose. Så i stedet vendte teamet sig til forskning fra et andet felt end en videnskab baseret på gamle civilisationer: metallurgi. Metallurgi er studiet af metaller, og dens begyndelse går tilbage til tidlige menneskelige bosættelser, da smedning af metaller var billetten til at befæste hære. Metallurgi lever videre i dag som en gren af materialevidenskab, der har til opgave at behandle mineral og metal.

“sådan litteratur var ikke kendt i geoscience-samfundet,” sagde Hirose., Kæmper gennem metallurgipapirer og udfører eksperimenter med høj temperatur i laboratoriet, konkluderede Hirose ‘ s team, at de antagede forhold mellem elektrisk resistivitet og jern brød sammen ved høje temperaturer, hvilket antyder, at jernens termiske ledningsevne faktisk var ret høj. Hvis deres resultater var korrekte, kølede kernen meget, meget hurtigt.

fundet “brød alle modellerne,” sagde John Hernlund, professor og vicepræsident for Earth-Life Science Institute., Hernlund, Hirose og andre skrev resultaterne i et bombeskalpapir i 2013, at” skabte et virtuelt jordskælv i geofysiksamfundet, ” sagde Hernlund.

i et perspektiv, der blev offentliggjort i tidsskriftet Science senere samme år, kaldte Olson spørgsmålet “ne.core parado..”Hvis kernen køler meget hurtigere, end vi troede, “er den bedste måde at omgå dette paradoks at tænke ud over standardmodellen for kerneudvikling,” skrev Olson. Hvis den indre kerne faktisk var meget ung, havde forskere brug for bedre at forklare, hvordan geodynamoen drives.,

Diamantbeklædt laboratoriearbejde

Videnskabspapiret udløste en byge af nye eksperimenter og undersøgelse af teori.

de to papirer, der blev udgivet i samme udgave af Nature i 2016, viste eksperimentelle bud på at fastgøre kernens termiske opførsel.

forfatterne af begge papirer brugte diamantanvilceller, en højtrykslaboratorieindretning. Cellerne indeholder to diamanter, poleret perfekt til kegler med deres tip barberet af. Forskerne placerer en tynd skive jern—ikke tykkere end et menneskehår—mellem diamanternes spidser.

i årtier har forskere udnyttet Jordens hårdeste mineral, diamant, til laboratorieforsøg., Intet andet mineral kan ridse det, og når to modstående diamanter er perfekt justeret, kan de klemme en skive jern til tryk, der er langt større end Jordens kerne.

Hirose, der ofte brugte diamantanvilceller i laboratoriet, sagde, at selv om diamanterne er stærke, kan den mindste variation i form få dem til at knække under højt tryk. Ekspert polermaskiner glatter siderne af diamanterne inden for 1 mikrometer, bredden af en lille bakterie. Hirose kaldte en særlig dygtig tekniker “vores skat”, fordi Få kan opnå en sådan præcision.,

diamanter har også et andet plus: forskere kan skyde lasere gennem deres gennemskinnelige sider for at sende en varmepuls ind i prøven. Begge undersøgelser brugte lasere til at opvarme deres prøver til tusinder af kelviner.

En Fortælling om To Papirer

I en af diamant ambolt eksperimenter, et team i Washington, D.C., målt varmeledningsevne af jern med to lasere til hurtigt at opvarme prøven og måle dens udledes temperatur ændring.,

i det andet eksperiment målte et andet forskerteam baseret i Tokyo jernens elektriske ledningsevne, en egenskab, der var tæt knyttet til termisk ledningsevne, og brugte derefter et empirisk forhold til at beregne termisk ledningsevne.papirerne fandt modstridende resultater, og deres uoverensstemmelser afslører, hvor vanskelige højtryksforsøg kan være. Tokyo gruppe foreslog en varmeledningsevne værdien af 88 (+29/-13) watt per meter kelvin ved core-mantle boundary (grænse), der henviser til, Washington, D.C., gruppe foreslog 25 (±7) watt per meter kelvin., Forskellen i værdier kan virke lille, men kan betyde forskellen mellem en indre kerne, der er milliarder af år gammel, og en relativ nykommer til Jordens indre struktur.

Den eksperimentelle forskelle “kan have at gøre med den foretrukne crystal orientering i de prøver,” sagde Stewart McWilliams, en forsker ved University of Edinburgh og medforfatter af undersøgelsen fra Washington, DC–baserede team.,

Hirose, der ledede holdet i Japan, var enig i, at det tryk, der blev brugt til at komprimere prøverne, ville påvirke orienteringen af krystalkornene i jern, og de to hold havde faktisk taget målinger vinkelret på hinanden.

Ste .art sagde, at han og andre nu fokuserer på at modellere de systematiske fejl i eksperimenterne, der kunne bias målinger. Disse fejl “går lidt” ved at forklare uoverensstemmelserne, “men ikke nok,” sagde han.

tiden vil vise, om en mellemvej er svaret., Quentin Williams, som ikke var involveret i enten studie-og offentliggjort en gennemgang af varmeledningsevne forskning i tidsskriftet Årlige Anmeldelser af Earth and Planetary Sciences, skrev, at “dog, men erkender samtidig, at mellemliggende påstande er meget farlige…det ville ikke være overraskende (for at denne forfatter), hvis varmeledningsevne værdier, med forbedret teoretisk og eksperimentel justeringer, i sidste ende er konvergeret til de værdier, der inden for en bred vifte af 35 til 80 watt per meter kelvin på de betingelser, på toppen af den ydre kerne.,”

et Kompositionskompromis

Når jorden samles fra en homogen murstensbunke til dens differentierede, lagdelte tilstand, adskilles dens materiale med densitet. Flydende materiale som vand, luft og silikater forblev på toppen og i midten, og tæt materiale som jern sank til midten.

men ifølge seismisk forskning, der går tilbage til midten af det 20.århundrede, er Jordens kerne ikke rent jern., Seismiske målinger viser, at det er omkring 10% mindre tæt end rent jern og er sammensat af legeringer sandsynligt, herunder nikkel og nogle specielle opskrift af lettere elementer, måske silicium, ilt, magnesium og kulfiber.

dette kan dog være gode nyheder for kerneparadokset. Tilstedeværelsen af lettere elementer kan drive konvektion i kernen, hvilket giver geodynamoen en konvektionskilde, selvom termisk konvektion er for svag. Hvis lettere elementer forårsager konvektion, giver denne kilde til opdrift et arbejde rundt til kerneparadokset.,Cohen, Hirose og mange andre undersøger effekten af lettere elementer på varmetransport i kernen. “Det er et helt, helt åbent spørgsmål,” sagde Hirose.

nye opfølgningsundersøgelser øger også ante. Kenji Ohta, en professor i Earth and planetary sciences på Tokyo Institute of Technology, sagde, at hans lab er at udforske en måde at smelte prøver ved høje temperaturer og tryk, noget, der bringer forskerne et skridt tættere på at efterligne Jordens flydende ydre kerne. Tidligere undersøgelser er for det meste blevet udført på faste prøver.,

“Dette er spændende ting,” sagde Williamilliams om løbet for at finde et svar. Spørgsmålet om Jordens kerne og termiske udvikling “vil udgøre en udfordring i de næste 15 år for samfundet.”

“det er det afgørende problem i Jordens udvikling og udviklingen af vores magnetfelt,” tilføjede .illiams. “Det er noget, der i sidste ende bare skal regnes ud. Og så, når udfordringer som dette stilles til samfundet, undertiden besvares de langsomt, fordi det er vanskeligt at få et godt svar. Men i sidste ende vil de blive besvaret. Jeg er virkelig optimistisk med hensyn til det.,”

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), Personale, Forfatter

Tak

Eos takket være vores videnskab rådgiver Sébastien Merkel, Mineral-og Rock Fysik, for at hjælpe med at udvikle vores juli Særligt Emne på Højt Tryk, Høj Temperatur Eksperimenter, som omfatter denne artikel.