Bedankt voor het aanmelden voor Eos Buzz.,

nieuwe onderzoek van hoge druk en hoge temperatuur experimenten suggereert dat de Aarde ‘ s kern zou worden van een “planetaire babe”, zijn net iets minder dan een miljard jaar jonger dan de aardse oceanen, atmosfeer en inwoners.,

Deze bevindingen vertegenwoordigen een drastische wending van hoe wetenschappers dachten dat de binnenste kern van de aarde zich ontwikkelde van zijn gesmolten begin tot vandaag—en een bron van een controversieel debat onder GEO-wetenschappers.

de onzekerheid ligt in tegenstrijdige metingen van de fundamentele eigenschappen van metaal. Het is onduidelijk hoe efficiënt ijzer en ijzerlegeringen warmte geleiden binnen de kern, waardoor het moeilijk voor onderzoekers om te beschrijven hoe de kern is afgekoeld in de tijd. Mineraalfysici, geofysici, fysici met gecondenseerde materie en dynamici proberen allemaal een antwoord te vinden.,”het is een zeer provocerende tijd op dit moment, zou ik zeggen, in termen van kernstudies,” zei Quentin Williams, een aarde en planetaire wetenschappen professor aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz.in het afgelopen decennium hebben wetenschappers nieuwe manieren uitgevonden om metaalmonsters onder extreme druk te persen, terwijl ze lasers afschieten om de monsters te verwarmen tot temperaturen zo heet als het oppervlak van de zon. De experimenten zijn echter lastig, en een consensus is ongrijpbaar., In hetzelfde nummer van het tijdschrift Nature, juni 2016, publiceerden twee onderzoeksteams de resultaten van afzonderlijke hogedruk-en hogetemperatuurexperimenten-met drastisch verschillende resultaten.

” Het is een zeer belangrijk onderwerp omdat het in principe de grensvoorwaarde is voor de thermische geschiedenis van de aarde, ” zei Ronald Cohen, een onderzoeker aan het Carnegie Institution for Science in Washington, D. C., Het antwoord kan ons begrip van de geschiedenis van de aarde herschrijven, de weg vrijmaken voor ontdekkingen in de dynamiek van de aarde aan de oppervlakte, zoals vulkanisme en platentektoniek, en helpen om verre werelden te verhelderen.

Earth ‘S Electrical Generator

” Ik denk dat iedereen het erover eens is dat zowel de mantel als de kern afkoelen,” zei Peter Olson, een adjunct-hoogleraar aard-en planetaire wetenschappen aan de Universiteit van New Mexico. “Wat we beter willen weten is hoe snel.,”

De kern van de aarde is grotendeels gemaakt van ijzer, en het is verdeeld in twee delen: een kleine, gekristalliseerde bol van gehard ijzer in het centrum van de aarde, genaamd de binnenste kern, en een vloeibare buitenste kern die de binnenste kern omringt met een “roiling massa van gesmolten metaal,” zei Williams. Wetenschappers hebben al sinds de 19e eeuw een hypothese over binnen-en buitenkernen op basis van de samenstelling van meteorieten.we kunnen de kern bedanken voor het bloeiende leven op aarde., Convectie in de buitenste kern ondersteunt het magnetische veld dat ons beschermt tegen harde zonnestraling en houdt onze atmosfeer intact. Als vloeibaar ijzer door een zwak magnetisch veld stroomt, creëert het een elektrische stroom in de planeet. Op zijn beurt induceert deze stroom een secundair magnetisch veld, dat verder een stroom in de kern induceert. Deze lus creëert een planetaire elektrische generator in het hart van onze planeet genaamd de geodynamo.,

onderzoekers hadden aangenomen dat de binnenste kern zeer oud moet zijn omdat onderzoek dat decennia teruggaat vingerafdrukken van de geodynamo vond in de oudste overlevende stenen van de aarde, die bijna 4 miljard jaar terug dateren.en inderdaad, het idee van een oude kern “klonk redelijk”, zei Kei Hirose, een professor in de geofysica aan de Universiteit van Tokio en directeur van het Earth-Life Science Institute aan het Tokyo Institute of Technology. Het checked de belangrijke doos: een oude binnenste kern gevoed de geodynamo voor miljarden jaren door het aandrijven van thermische convectie in de buitenste kern.,

metallurgie geeft een Hand

maar Hirose merkte op dat weinig mensen de thermische geleidbaarheid van ijzer onder extreme omstandigheden hadden gemeten, en de weinige studies die waren voltooid, met behulp van schokgolfexperimenten, hadden grote onzekerheden en waren niet gemakkelijk reproduceerbaar. De thermische geleidbaarheid kan een cruciale waarde zijn om de dynamiek van de kern vast te pinnen: de kern koelt via zowel convectie als geleiding, en hoe snel het warmte geleidt bepaalt hoeveel warmte er overblijft om convectie aan te drijven.,

in de wetenschappelijke literatuur werden waarden voor de geleidbaarheid vermeld, maar de waarden waren “zeer speculatief”, aldus Hirose. In plaats daarvan richtte het team zich op onderzoek vanuit een ander veld dan een wetenschap gebaseerd op oude beschavingen: metallurgie. Metallurgie is de studie van metalen, en haar begin gaat terug naar de vroege menselijke nederzettingen toen het smeden van metalen was het ticket naar versterkende legers. Metallurgie leeft voort vandaag als een tak van de materiaalkunde belast met minerale en metalen verwerking.”dergelijke literatuur was niet bekend in de geoscience gemeenschap,” zei Hirose., Door metallurgiepapieren te doorzoeken en experimenten met hoge temperaturen uit te voeren in het lab, concludeerde het team van Hirose dat de veronderstelde relaties tussen elektrische weerstand en ijzer bij hoge temperaturen afbraken, wat suggereert dat de thermische geleidbaarheid van ijzer eigenlijk vrij hoog was. Als hun bevindingen juist waren, koelde de kern heel, heel snel af.de bevinding “brak alle modellen,” zei John Hernlund, een professor en vice-directeur van het earth-Life Science Institute., Hernlund, Hirose, en anderen schreven de bevindingen in een bombshell paper in 2013 dat ” creëerde een virtuele aardbeving in de geofysische gemeenschap,” zei Hernlund.

in een perspectief gepubliceerd in het tijdschrift Science later dat jaar, noemde Olson het nummer de ” new core paradox.”Als de kern veel sneller afkoelt dan we dachten,” de beste manier om deze paradox te omzeilen is om verder te denken dan het standaardmodel van core-evolutie, ” Olson schreef. Als de binnenste kern in feite erg jong was, moesten onderzoekers beter uitleggen hoe de geodynamo wordt gedreven.,

laboratoriumwerk met diamanten

Het Wetenschappelijk document leidde tot een vlaag van nieuwe experimenten en onderzoek naar de theorie.

de twee papers die in hetzelfde nummer van Nature in 2016 werden uitgebracht, toonden een experimentele kijk op het vastzetten van het thermische gedrag van de kern.

De auteurs van beide papers gebruikten diamond aambeeld cellen, een hogedruk lab apparaat. De cellen bevatten twee diamanten, perfect gepolijst in kegels met hun uiteinden afgeschoren. De wetenschappers plaatsen een dun plakje ijzer – niet dikker dan een mensenhaar—tussen de diamanten’ toppen.sinds tientallen jaren maken wetenschappers gebruik van het hardste mineraal van de aarde, diamant, voor laboratoriumexperimenten., Geen ander mineraal kan er krassen op maken, en als twee tegengestelde diamanten perfect uitgelijnd zijn, kunnen ze een stuk ijzer knijpen tot een druk die veel groter is dan die van de kern van de aarde.Hirose, die vaak diamanten aambeeldcellen gebruikte in het lab, zei dat, ook al zijn de diamanten sterk, de kleinste variatie in vorm ervoor kan zorgen dat ze barsten onder hoge druk. Expert polijstmachines glad de zijkanten van de diamanten tot binnen 1 micrometer, de breedte van een kleine bacterie. Hirose noemde een bijzonder bekwame technicus “onze schat”, omdat weinigen zulke precisie kunnen bereiken.,

diamanten hebben nog een pluspunt: onderzoekers kunnen lasers door hun doorschijnende zijkanten schieten om een hittepuls in het monster te sturen. Beide studies gebruikten lasers om hun monsters te verhitten tot duizenden Kelvin.

A Tale of Two Papers

In een van de diamond anvil experimenten, een team in Washington, D. C., gemeten de thermische geleidbaarheid van ijzer met behulp van twee lasers om snel het monster te verwarmen en de afgeleide temperatuurverandering te meten.,

In het andere experiment heeft een ander onderzoeksteam uit Tokio de elektrische geleidbaarheid van ijzer gemeten, een eigenschap die nauw verband houdt met de thermische geleidbaarheid, en vervolgens een empirische relatie gebruikt om de thermische geleidbaarheid te berekenen.

De papers vonden tegenstrijdige resultaten en hun discrepanties tonen aan hoe moeilijk hogedrukexperimenten kunnen zijn. De Tokyo groep stelde een warmtegeleidingswaarde voor van 88 (+29/-13) watt per meter kelvin bij de kernmantel grens, terwijl de Washington D. C. Groep 25 (±7) watt per meter kelvin voorstelde., Het verschil in waarden lijkt misschien klein, maar kan het verschil betekenen tussen een binnenkern die miljarden jaren oud is en een relatieve nieuwkomer in de interne structuur van de aarde.de experimentele verschillen ” kunnen te maken hebben met de gewenste kristaloriëntatie in de monsters,” zei Stewart McWilliams, een onderzoeker aan de Universiteit van Edinburgh en een medeauteur van de studie door het in Washington, D. C. gevestigde team.,Hirose, die het team in Japan leidde, was het erover eens dat de druk die wordt gebruikt om de monsters te comprimeren de oriëntatie van de kristalkorrels in ijzer zou beïnvloeden, en de twee teams hadden inderdaad loodrecht op elkaar gemeten.Stewart zei dat hij en anderen zich nu richten op het modelleren van de systematische fouten in de experimenten die metingen kunnen beïnvloeden. Deze fouten “gaan een beetje” in het verklaren van de verschillen, “maar niet genoeg,” zei hij.

tijd zal uitwijzen of een middenweg het antwoord is., Quentin Williams, die niet betrokken was bij beide studies en publiceerde een overzicht van warmtegeleidingsonderzoek in het tijdschrift Annual Reviews of Earth and Planetary Sciences, schreef dat ” niettemin, hoewel erkennend dat intermediaire beweringen zijn zeer hazardous…it het zou niet verwonderlijk zijn (voor deze auteur) als de warmtegeleidingswaarden, met verbeterde theoretische en experimentele verfijningen, uiteindelijk convergeerden naar waarden binnen een breed bereik van 35 tot 80 watt per meter kelvin aan de voorwaarden van de bovenkant van de buitenste kern.,”

A Compositional Compromise

wanneer aarde uit een homogene puinstapel samenvloeit tot een gedifferentieerde, gelaagde toestand, waarbij het materiaal wordt gescheiden door dichtheid. Drijvend materiaal zoals water, lucht en silicaten bleef boven en in het Midden, en dicht materiaal zoals ijzer zonk naar het midden.maar volgens seismisch onderzoek dat teruggaat tot het midden van de 20e eeuw, is de kern van de aarde niet zuiver ijzer., Seismische metingen tonen aan dat het ongeveer 10% minder dicht dan zuiver ijzer en is samengesteld uit legeringen waarschijnlijk inclusief nikkel en een aantal speciale recept van lichtere elementen, misschien silicium, zuurstof, magnesium, en koolstof.

dit kan echter goed nieuws zijn voor de core paradox. De aanwezigheid van lichtere elementen kan convectie in de kern voortstuwen, waardoor de geodynamo een bron van convectie is, zelfs als de thermische convectie te zwak is. Als lichtere elementen convectie veroorzaken, geeft deze bron van drijfvermogen een work-around aan de kernparadox.,Cohen, Hirose en vele anderen onderzoeken het effect van lichtere elementen op het warmtetransport in de kern. “Het is een totaal, totaal open vraag,” Hirose zei.

Nieuwe follow-upstudies verhogen ook de ante. Kenji Ohta, een universitair hoofddocent in aarde-en planetaire wetenschappen aan het Tokyo Institute of Technology, zei dat zijn lab een manier onderzoekt om monsters te smelten bij hoge temperaturen en druk, iets dat wetenschappers een stap dichter brengt bij het nabootsen van de vloeibare buitenste kern van de aarde. In het verleden zijn studies uitgevoerd, voor het grootste deel, op vaste monsters.,

“Dit is spannend spul,” Williams zei over de race om een antwoord te vinden. De kwestie van de kern-en thermische evolutie van de aarde ” zal een uitdaging vormen voor de komende 15 jaar voor de gemeenschap.”

” It ’s the pivotal issue in Earth’ s evolution and the evolution of our magnetic field, ” Williams toegevoegd. “Het is iets dat uiteindelijk gewoon moet worden uitgedokterd. Als dit soort uitdagingen aan de Gemeenschap worden gesteld, worden ze soms langzaam beantwoord omdat het moeilijk is om een goed antwoord te krijgen. Maar uiteindelijk zullen ze worden beantwoord. Ik ben er erg optimistisch over.,”

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), Staff Writer

Dankbetuigingen

EOS dankt onze wetenschapsadviseur Sébastien Merkel, Mineral and Rock Physics, voor het helpen ontwikkelen van ons speciale thema in Juli over hoge druk, hoge-temperatuur experimenten, dat dit artikel omvat.