Takk for at du registrerer deg for Eos-Buzz.,

Fremvoksende forskning fra høyt trykk og høy temperatur eksperimenter tyder på at Jordens indre kjerne kan være en «global babe» i underkant av en milliard år yngre enn Jordens hav, atmosfære, og innbyggere.,

Disse funnene representerer en drastisk slå fra hvordan forskere trodde Jordens indre kjerne utviklet seg fra sin smeltet begynnelse til i dag—og en kilde til en kontroversiell debatt blant geoforskere.

Den usikkerheten som ligger i konflikt med målene for den grunnleggende egenskaper av metall. Det er uklart hvor effektivt jern og jern-legeringer til å lede varme i kjernen, noe som gjør det vanskelig for forskere å beskrive hvordan kjernen har kjølt seg over tid. Mineral fysikere, geofysikere, kondensert-saken fysikere, og dynamicists alle prøver å pin ned et svar.,

«Det er en svært utfordrende tid i øyeblikket, ville jeg si, i form av core studier,» sa Quentin Williams, en Earth and planetary sciences professor ved University of California, Santa Cruz.

I det siste tiåret, forskere har funnet opp en roman måter å presse metall prøver for ekstreme belastninger mens skyting lasere for å varme prøver å temperaturer så varmt som Solens overflate. Eksperimenter som er vanskelig, imidlertid, og konsensus er unnvikende., I samme utgave av tidsskriftet Nature, juni 2016, to forskningsmiljøer publiserte resultater av eget høyt trykk, høy temperatur eksperimenter—med drastisk forskjellige resultater.

«Det er et veldig viktig tema fordi det er i utgangspunktet grensen tilstand for den termiske historie på Jorden,» sa Ronald Cohen, en forsker ved Carnegie Institution for Science i Washington, D.C., Svaret kunne skrive vår forståelse av Jordens historie, og banet vei for funn i Jordens dynamikk på overflaten, for eksempel vulkanisme og platetektonikk, og bidra til å belyse fjerne verdener.

Jordens Elektrisk Generator

«jeg tror alle er enige i at både mantelen og kjernen er kjøling,» sa Peter Olson, en assisterende professor i Jorden og planetary sciences ved University of New Mexico. «Hva vi ønsker å bli bedre kjent med er hvor fort.,»

Jordens kjerne er gjort i stor grad av jern, og det er delt i to deler: en liten, krystallisert ball av herdet jern i midten av Jorden, kalt den indre kjerne, og en flytende ytre kjerne som omgir den indre kjerne med en «belastende masse av smeltet metall,» sa Williams. Forskere har en hypotese om indre og ytre strykejern kjerner siden det 19. århundre på grunnlag av sammensetningen av meteoritter.

Vi kan takke kjernen for den blomstrende liv på Jorden., Konveksjon i den ytre kjernen støtter magnetfelt som beskytter oss mot sterke solstråler og holder våre atmosfæren intakt. Som flytende jern strømmer gjennom et svakt magnetfelt, det skaper en elektrisk strøm inne i planeten. I sin tur, dette aktuelle induserer en sekundær magnetfelt, noe som ytterligere induserer strøm inne i kjernen. Denne sløyfen skaper en planetarisk-størrelse elektrisk generator i hjertet av vår planet kalt geodynamo.,

Forskere hadde antatt at den indre kjernen må være svært gamle, fordi forskning kommer tilbake flere tiår funnet fingeravtrykk av geodynamo i Jordens eldste gjenlevende stein, som dateres tilbake nesten 4 milliarder år.

Og ja, ideen om en gammel indre kjerne «hørtes rimelig,» sa Kei Hirose, professor i geofysikk ved Universitetet i Tokyo og direktør for Jord-Life Science Institute ved Tokyo Institute of Technology. Det sjekket viktig boksen: En gammel indre kjerne drevet geodynamo for milliarder av år ved å kjøre termisk konveksjon i den ytre kjernen.,

Metallurgi Gir en Hånd

Men Hirose lagt merke til at noen mennesker hadde målt varmeledningsevne av jern under ekstreme forhold, og de få studiene som har vært gjennomført, ved hjelp av sjokkbølgen eksperimenter, hadde stor usikkerhet, og var ikke lett reproduserbare. Varmeledningsevnen kunne være en avgjørende verdi for låsing ned core ‘ s dynamics: core kjøler via både konveksjon og ledelse, og hvor fort det varmen som avgjør hvor mye varme til overs til å drive konveksjon.,

Den vitenskapelige litteraturen som er oppført verdier for ledningsevne, men verdiene var «svært spekulativt,» sa Hirose. Så i stedet, vil det laget viste til forskning fra et annet felt fra en vitenskap som er basert på gamle sivilisasjoner: metallurgi. Metallurgi studiet av metaller, og dens begynnelse gå tilbake til tidlige menneskelige bosetninger når smiing metaller var billetten til å styrke hærer. Metallurgi lever på i dag som en gren av materialvitenskap oppgave med mineral og metall-behandling.

«Slik litteratur var ikke kjent i geofysikk samfunnet,» Hirose sa., Grer gjennom metallurgi papirer og ledelse av høy-temperatur eksperimenter i laboratoriet, Hirose er teamet konkluderte med at den antatte sammenhengen mellom elektrisk resistivitet og strykejern brøt ned ved høye temperaturer, noe som tyder på at den termiske ledningsevne av jern var faktisk ganske høy. Hvis resultatene er riktige, kjernen var kjøling veldig, veldig raskt.

For å finne «brøt alle modeller,» sa John Hernlund, en professor og viseadministrerende direktør i Jord-Life Science Institute., Hernlund, Hirose, og andre skrev opp funnene i en bombe papir i 2013 som «skapt en virtuell jordskjelv i geofysikk samfunnet,» sa Hernlund.

I et perspektiv som er publisert i tidsskriftet Science senere på året Olson heter problemet «nye core paradoks.»Hvis kjernen er kjøling mye raskere enn vi trodde, «den beste vei rundt dette paradokset er å tenke utover den standard modell med core evolusjon,» Olson skrev. Hvis den indre kjerne var, faktisk, veldig ung, og forskere er nødvendig for å bedre forklare hvordan geodynamo er kjørt.,

Diamond-Kledd laboratoriearbeid

Science papir utløste en flom av nye eksperimenter og undersøkelser i teorien.

to artikler utgitt i samme utgave av Arten i 2016 viste eksperimentelt tar på låsing ned kjernen er termiske egenskaper.

forfatterne av både papir som brukes diamond ambolt celler, en høy-press-lab enheten. Cellene inneholder to ruter, polert perfekt inn kjegler med sine tips barbert av. Forskerne sted en tynn skive av jern—ikke tykkere enn et menneskehår—mellom diamanter’ tips.

For flere tiår har forskere tatt nytte av verdens hardeste mineral, diamond, for lab-eksperimenter., Ingen andre mineralske kan skrape den, og når to motstridende diamanter er perfekt justert, de kan knipe en bit av jern til presset langt større enn de av Jordens kjerne.

Hirose, som ofte brukes diamond ambolt celler i laboratoriet, sa at selv om diamanter er sterk, den minste variasjon i form kan forårsake at de sprekker under høyt trykk. Ekspert poleringsmaskiner glatte sider av diamanter til mindre enn 1 mikrometer, bredden av en liten bakterie. Hirose kalles en spesielt dyktig tekniker «vår skatt,» fordi noen kan oppnå en slik presisjon.,

Diamanter har et annet pluss også: Forskere kan skyte lasere gjennom sin gjennomsiktige sider for å sende en puls av varme inn i prøven. Begge studiene ble det brukt lasere for å varme sine prøver til tusenvis av kelvins.

dette er En Historie om To Papirer

I en av diamond ambolt eksperimenter, et lag i Washington, D.C., målt varmeledningsevne av jern ved hjelp av to lasere for å raskt varme prøve og måle sine utledes temperaturen endres.,

I det andre eksperimentet, en annen research team basert i Tokyo målt strykejern elektriske ledningsevne, en eiendom som er nært knyttet til termisk ledningsevne, og deretter brukt et empirisk forhold til å beregne termisk konduktivitet.

papirer funnet motstridende resultater, og deres avvik avslører akkurat hvor vanskelig høyt trykk eksperimenter kan være. Tokyo gruppen foreslo en varmeledningsevne verdien av 88 (+29/-13) watt per meter kelvin på kjerne-mantel grensen, mens, Washington, D.C., gruppe foreslått 25 (±7) watt per meter kelvin., Den ulikheter i verdier kan virke lite, men kan bety forskjellen mellom en indre kjerne som er milliarder av år gammel og en relativ nykommer til Jordens indre struktur.

Den eksperimentelle forskjeller «kan ha å gjøre med foretrukket crystal orientering i prøvene,» sa Stewart McWilliams, en forsker ved University of Edinburgh og medforfatter av studien av Washington, D.C.–baserte team.,

Hirose, som ledet laget i Japan, var enige om at trykket som brukes til å komprimere prøvene ville påvirke retningen av crystal korn i jern, og de to lagene hadde faktisk tatt målinger vinkelrett på hverandre.

Stewart sa han og andre er nå fokuserer på modellering systematiske feil i eksperimenter som kan bias målinger. Disse feilene «gå et lite stykke» i å forklare avvik», men ikke nok,» sa han.

Tiden vil vise om en mellomting er svaret., Quentin Williams, som ikke var involvert i begge studier og publiserte en gjennomgang av termisk konduktivitet forskning i tidsskriftet Årlige Vurderinger av Jord og Planetary Sciences, skrev at «likevel, samtidig som den gjenkjenner som middels påstander er svært farlig…det ville ikke være overraskende (til denne forfatteren) hvis varmeledningsevne verdier, med forbedret teoretiske og eksperimentelle forbedringer, til syvende og sist møttes til verdier innenfor et bredt spekter av 35 til 80 watt pr. meter kelvin på forholdene i toppen av den ytre kjernen.,»

En Kompositorisk Kompromiss

Når Jorden coalesced fra å være et homogent ruinene haug i sin differensiert, i lag stat, dens materielle atskilt av tetthet. Flytende materiale som vann, luft, og silikater bodde på toppen og en i midten, og tett materiale som strykejern sank til sentrum.

Men i henhold til seismiske undersøkelser som går tilbake til midten av det 20. århundre, Jordens kjerne ikke er rent jern., Seismiske målinger viser at det er ca 10% mindre tett enn rent jern og består av legeringer sannsynlig inkludert nikkel og noen spesiell oppskrift av lettere elementer, kanskje silisium, oksygen, magnesium og karbon.

Dette kan være gode nyheter for kjernen paradox, imidlertid. Tilstedeværelsen av lettere elementer kan drive konveksjon i kjernen, noe som gir geodynamo en kilde av konveksjon selv om termisk konveksjon er for svakt. Hvis lettere elementer føre til konveksjon, denne kilde til oppdrift gir en work-around til kjernen paradox.,

Cohen, Hirose, og mange andre er å undersøke effekten av lettere elementer på varmetransport i kjernen. «Det er en helt, helt åpent spørsmål,» Hirose sa.

Roman oppfølgingsstudier er upping ante, så vel. Kenji Ohta, førsteamanuensis ved Earth and planetary sciences ved Tokyo Institute of Technology, sa at hans lab er å utforske en måte å smelte prøver ved høye temperaturer og høyt trykk, noe som bringer forskere ett skritt nærmere å etterligne Jordens flytende ytre kjerne. Tidligere studier har blitt gjennomført, for det meste, på harde prøver.,

«Dette er spennende ting,» sa Williams i kampen om å finne svar på. Spørsmålet i kjernen og termisk utviklingen av Jorden «vil utgjøre en utfordring for de neste 15 årene for samfunnet.»

«det er Det avgjørende spørsmålet i Jordens utvikling og utvikling av vår magnetfelt,» Williams lagt til. «Det er noe som til syvende og sist bare har å bli funnet ut. Og så, når utfordringene som denne er stilt til samfunnet, noen ganger er de svarte sakte fordi å få et godt svar er vanskelig. Men til syvende og sist, vil de bli besvart. Jeg er veldig optimistisk om det.,»

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), Staff Writer

Erkjennelsene

Eos takket være vår vitenskap rådgiver Sébastien Merkel, Mineral-og Rock Fysikk, for å bidra til å utvikle våre juli Spesielle Emne på Høyt Trykk, Høy Temperatur Eksperimenter, som inkluderer denne artikkelen.