dziękuję za zapisanie się na Eos Buzz.,

wyłaniające się badania z eksperymentów wysokociśnieniowych i wysokotemperaturowych sugerują, że wewnętrzne jądro Ziemi może być „planetarnym dzieckiem” o prawie miliard lat-młodszym niż ziemskie oceany, atmosfera i mieszkańcy.,

te odkrycia stanowią drastyczny zwrot od tego, jak naukowcy myśleli, że wewnętrzne jądro Ziemi rozwinęło się od stopionego początku do dzisiaj—i źródło kontrowersyjnej debaty wśród geologów.

niepewność polega na sprzecznych pomiarach podstawowych właściwości metalu. Nie jest jasne, jak wydajnie żelazo i stopy żelaza przewodzą ciepło w rdzeniu, co utrudnia naukowcom opisanie, w jaki sposób rdzeń ostygł w czasie. Fizycy minerałów, geofizycy, fizycy materii skondensowanej i dynamicy próbują znaleźć odpowiedź.,

„to w tej chwili bardzo prowokujący moment, powiedziałbym, jeśli chodzi o badania podstawowe” – powiedział Quentin Williams, profesor nauk o Ziemi i planetach na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz.

w ostatniej dekadzie naukowcy wynaleźli nowatorskie sposoby wyciskania próbek metalu do ekstremalnych ciśnień podczas fotografowania laserami, aby podgrzać próbki do temperatury tak gorącej, jak powierzchnia słońca. Eksperymenty są jednak trudne, a konsensus jest nieuchwytny., W tym samym numerze czasopisma Nature, w czerwcu 2016 roku, dwa zespoły badawcze opublikowały wyniki oddzielnych eksperymentów wysokociśnieniowych i wysokotemperaturowych-z drastycznie odmiennymi wynikami.

„to bardzo ważny temat, ponieważ jest to w zasadzie warunek graniczny dla termicznej historii Ziemi” – powiedział Ronald Cohen, badacz w Carnegie Institution for Science w Waszyngtonie., Odpowiedź może zmienić nasze zrozumienie historii Ziemi, torując drogę do odkryć w dynamice Ziemi na powierzchni, takich jak wulkanizm i tektonika płyt, i pomaga wyjaśnić odległe światy.

ziemski Generator elektryczny

„myślę, że wszyscy zgadzają się, że zarówno płaszcz, jak i rdzeń chłodzą się”, powiedział Peter Olson, adiunkt profesor nauk o Ziemi i planetach na Uniwersytecie w Nowym Meksyku. „Chcielibyśmy wiedzieć lepiej, jak szybko.,”

jądro Ziemi składa się w dużej mierze z żelaza i jest podzielone na dwie części: małą, skrystalizowaną kulę utwardzonego żelaza W Środku Ziemi, zwaną wewnętrznym rdzeniem, i ciekły rdzeń zewnętrzny, który otacza wewnętrzne jądro” wirującą masą stopionego metalu”, powiedział Williams. Naukowcy wysuwali hipotezy na temat wewnętrznych i zewnętrznych rdzeni żelaznych od XIX wieku na podstawie składu meteorytów.

możemy podziękować core za kwitnące życie na Ziemi., Konwekcja w zewnętrznym rdzeniu podtrzymuje pole magnetyczne, które chroni nas przed ostrym promieniowaniem słonecznym i utrzymuje naszą atmosferę w Nienaruszonym Stanie. Gdy ciekłe żelazo przepływa przez słabe pole magnetyczne, wytwarza prąd elektryczny wewnątrz planety. Z kolei prąd ten indukuje wtórne pole magnetyczne, które dodatkowo indukuje prąd wewnątrz rdzenia. Pętla ta tworzy planetarny generator elektryczny w sercu naszej planety, zwany geodynamo.,

naukowcy zakładali, że rdzeń wewnętrzny musi być bardzo stary, ponieważ badania sięgające dziesięcioleci wstecz odkryły odciski palców geodynamiki w najstarszych zachowanych skałach ziemi, sięgające prawie 4 miliardów lat wstecz.

i rzeczywiście, pomysł starego rdzenia wewnętrznego „brzmiał rozsądnie”, powiedział Kei Hirose, profesor Geofizyki na Uniwersytecie Tokijskim i dyrektor Instytutu Nauk o Ziemi w tokijskim Instytucie Technologii. Sprawdził ważne pole: stary rdzeń wewnętrzny napędzał geodynamikę przez miliardy lat, napędzając konwekcję termiczną w zewnętrznym rdzeniu.,

Metalurgia użycza ręki

ale Hirose zauważył, że niewiele osób zmierzyło przewodność cieplną żelaza w ekstremalnych warunkach, a kilka badań, które zostały zakończone, przy użyciu eksperymentów fal uderzeniowych, miało dużą niepewność i nie były łatwe do odtworzenia. Przewodność cieplna może być kluczową wartością dla obniżenia dynamiki rdzenia: rdzeń chłodzi się zarówno przez konwekcję, jak i przewodzenie, a to, jak szybko przewodzi ciepło, kontroluje ilość ciepła pozostałą do napędzania konwekcji.,

w literaturze naukowej wymieniono wartości przewodności, ale wartości te były „wysoce spekulatywne” – powiedział Hirose. Zamiast tego zespół zwrócił się do badań z innej dziedziny niż nauka oparta na starożytnych cywilizacjach: metalurgii. Metalurgia jest badaniem metali, a jej początki sięgają wczesnych osad ludzkich, kiedy kucie metali było przepustką do fortyfikowania armii. Metalurgia żyje dziś jako gałąź nauki o materiałach, której zadaniem jest obróbka minerałów i metali.

„taka literatura nie była znana w środowisku geoscience” – powiedział Hirose., Przeczesując papiery metalurgiczne i przeprowadzając eksperymenty wysokotemperaturowe w laboratorium, zespół Hirose doszedł do wniosku, że zakładane relacje między rezystywnością elektryczną a żelazem załamały się w wysokich temperaturach, co sugeruje, że przewodność cieplna żelaza była w rzeczywistości dość wysoka. Jeśli ich ustalenia były poprawne, rdzeń chłodził się bardzo, bardzo szybko.

, Hernlund, Hirose i inni napisali wyniki w bombshell paper w 2013, że „stworzył wirtualne trzęsienie ziemi w społeczności geofizycznej”, powiedział Hernlund.

w perspektywie opublikowanej w czasopiśmie Science w tym samym roku, Olson nazwał wydanie „nowym paradoksem rdzenia.”Jeśli rdzeń chłodzi się znacznie szybciej, niż myśleliśmy,” najlepszym sposobem obejścia tego paradoksu jest myślenie poza standardowym modelem ewolucji rdzenia”, napisał Olson. Jeśli rdzeń wewnętrzny był w rzeczywistości bardzo młody, naukowcy musieli lepiej wyjaśnić, w jaki sposób napędza się geodynamika.,

praca laboratoryjna

praca naukowa wywołała lawinę nowych eksperymentów i badań nad teorią.

dwie prace opublikowane w tym samym numerze Nature w 2016 roku pokazały eksperymentalne podejście do przypinania termicznego rdzenia.

autorzy obu artykułów używali ogniw Kowadła diamentowego, wysokociśnieniowego urządzenia laboratoryjnego. Komórki zawierają dwa diamenty, idealnie wypolerowane w stożki z ogolonymi końcami. Naukowcy umieszczają cienki kawałek żelaza-nie grubszy niż ludzki włos-między końcówkami diamentów.

od dziesięcioleci naukowcy wykorzystują najtwardszy minerał Ziemi, diament, do eksperymentów laboratoryjnych., Żaden inny minerał nie może go porysować, a gdy dwa przeciwstawne diamenty są idealnie wyrównane, mogą uszczypnąć kawałek żelaza do ciśnienia znacznie większego niż ciśnienie jądra Ziemi.

Hirose, który często używał diamentowych kowadełek w laboratorium, powiedział, że nawet jeśli diamenty są mocne, najmniejsze zmiany kształtu mogą powodować pękanie pod wysokim ciśnieniem. Polerki Expert wygładzają boki diamentów do 1 mikrometra, szerokości małej bakterii. Hirose nazwał jednego szczególnie wykwalifikowanego technika „naszym skarbem”, ponieważ niewielu może osiągnąć taką precyzję.,

diamenty mają również inny plus: naukowcy mogą strzelać laserami przez ich półprzezroczyste strony, aby wysłać impuls ciepła do próbki. Oba badania wykorzystywały lasery do podgrzewania próbek do tysięcy kelwinów.

A Tale of Two Papers

w jednym z eksperymentów diamentowego Kowadła, zespół w Waszyngtonie, zmierzył przewodność cieplną żelaza za pomocą dwóch laserów, aby szybko podgrzać próbkę i zmierzyć jej wnioskowaną zmianę temperatury.,

w drugim eksperymencie inny zespół badawczy z siedzibą w Tokio zmierzył przewodność elektryczną żelaza, właściwość ściśle związaną z przewodnością cieplną, a następnie wykorzystał zależność empiryczną do obliczenia przewodności cieplnej.

gazety znalazły sprzeczne wyniki, a ich rozbieżności pokazują, jak trudne mogą być eksperymenty wysokociśnieniowe. Grupa Tokijska zaproponowała wartość przewodności cieplnej 88 (+29/-13) watów na metr Kelvina na granicy rdzeń-płaszcz, podczas gdy grupa waszyngtońska zaproponowała 25 (±7) watów na metr Kelvina., Różnica w wartościach może wydawać się mała, ale może oznaczać różnicę między wewnętrznym rdzeniem, które ma miliardy lat, a względnym nowicjuszem w wewnętrznej strukturze Ziemi.

różnice eksperymentalne „mogą mieć związek z preferowaną orientacją kryształów w próbkach”, powiedział Stewart McWilliams, badacz z Uniwersytetu w Edynburgu i współautor badania przeprowadzonego przez zespół z Waszyngtonu.,

Hirose, który prowadził zespół w Japonii, zgodził się, że ciśnienie użyte do ściśnięcia próbek wpłynie na Orientację ziaren kryształów w żelazie, a oba zespoły rzeczywiście wykonały pomiary prostopadle do siebie.

Te błędy „idą trochę za daleko” w wyjaśnianiu rozbieżności, „ale za mało”, powiedział.

Czas pokaże, czy środek jest odpowiedzią., Quentin Williams, który nie był zaangażowany w żadne badania i opublikował przegląd badań przewodności cieplnej w czasopiśmie Annual Reviews of Earth and Planetary Sciences, napisał, że ” niemniej jednak, uznając, że pośrednie twierdzenia są wysoce hazardous…it nie byłoby zaskakujące (dla tego autora), gdyby wartości przewodności cieplnej, z ulepszonymi udoskonaleniami teoretycznymi i eksperymentalnymi, ostatecznie zbiegły się do wartości w szerokim zakresie od 35 do 80 watów na metr Kelvina w Warunkach górnej części rdzenia zewnętrznego.,”

kompromis kompozycyjny

Kiedy Ziemia połączyła się z jednorodnego stosu gruzu w zróżnicowany, warstwowy stan, jego materiał oddzielony gęstością. Pływający materiał, taki jak woda, powietrze i krzemiany, pozostawał na górze i w środku, a gęsty materiał, taki jak żelazo, opadał do środka.

ale według badań sejsmicznych, które sięgają połowy XX wieku, jądro Ziemi nie jest czyste żelazo., Pomiary sejsmiczne pokazują, że jest o około 10% mniej gęsty niż czyste żelazo i składa się ze stopów, w tym prawdopodobnie niklu i pewnej specjalnej receptury lżejszych pierwiastków, być może krzemu, tlenu, magnezu i węgla.

To może być dobra wiadomość dla podstawowego paradoksu. Obecność lżejszych pierwiastków może napędzać konwekcję w rdzeniu, dając geodynom źródło konwekcji, nawet jeśli konwekcja termiczna jest zbyt słaba. Jeśli lżejsze elementy powodują konwekcję, to źródło wyporu daje obejście paradoksu rdzenia.,

Cohen, Hirose i wielu innych badają wpływ lżejszych pierwiastków na transport ciepła w rdzeniu. „To jest całkowicie, całkowicie otwarte pytanie” – powiedział Hirose.

Kenji Ohta, profesor nadzwyczajny Nauk o Ziemi i planetach w Tokyo Institute of Technology, powiedział, że jego laboratorium bada sposób na stopienie próbek w wysokich temperaturach i ciśnieniach, co przybliża naukowców o krok do naśladowania ciekłego zewnętrznego jądra Ziemi. W przeszłości przeprowadzono badania, w większości, na próbkach stałych.,

Kwestia rdzeniowej i termicznej ewolucji Ziemi ” będzie stanowić wyzwanie dla społeczności przez następne 15 lat.”

„to kluczowy problem w ewolucji Ziemi i ewolucji naszego pola magnetycznego” – dodał Williams. „To jest coś, co ostatecznie trzeba po prostu rozgryźć. I tak, kiedy wyzwania takie jak to są stawiane społeczności, czasami są one odpowiedzią powoli, ponieważ uzyskanie dobrej odpowiedzi jest trudne. Ale ostatecznie odpowiemy na nie. Jestem co do tego optymistą.,”

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), Staff Writer

podziękowania

EOS dziękuje naszemu doradcy naukowemu Sébastienowi Merkel, fizyce minerałów i skał, za pomoc w opracowaniu naszego lipcowego specjalnego tematu na temat eksperymentów wysokociśnieniowych, wysokotemperaturowych, który zawiera ten artykuł.