Tack för att du registrerar dig för Eos Buzz.,

framväxande forskning från högtrycks-och högtemperaturexperiment tyder på att jordens inre kärna kan vara en ”planetarisk babe” strax under en miljard år gammal—yngre än jordens oceaner, atmosfär och invånare.,

dessa fynd representerar en drastisk vändning från hur forskare trodde jordens inre kärna utvecklades från dess smälta början till idag—och en källa till en omtvistad debatt bland geovetenskapare.

osäkerheten ligger i motstridiga mätningar av metallens grundläggande egenskaper. Det är oklart hur effektivt järn och järnlegeringar leder värme i kärnan, vilket gör det svårt för forskare att beskriva hur kärnan har svalnat över tiden. Mineralfysiker, geofysiker, kondenserade materiafysiker och dynamiker försöker alla sätta ett svar.,

”det är en mycket provocerande tid just nu, skulle jag säga, när det gäller kärnstudier”, säger Quentin Williams, en jord-och planetarisk vetenskap professor vid University of California, Santa Cruz.

under det senaste decenniet har forskare uppfunnit nya sätt att pressa metallprover till extrema tryck medan man skjuter lasrar för att värma proverna till temperaturer så heta som solens yta. Experimenten är dock knepiga och konsensus är svårfångad., I samma nummer av tidskriften Nature, juni 2016, publicerade två forskargrupper resultaten av separata högtrycks -, högtemperaturförsök-med drastiskt olika resultat.

”det är ett mycket viktigt ämne eftersom det i grunden är gränsvillkoren för jordens termiska historia”, säger Ronald Cohen, en forskare vid Carnegie Institution for Science i Washington, D. C., Svaret kan skriva om vår förståelse av jordens historia, banar väg för upptäckter i jordens dynamik på ytan, såsom vulkanism och platttektonik, och hjälper till att belysa avlägsna världar.

Earth ’ s Electrical Generator

”Jag tror att alla håller med om att både manteln och kärnan kyler”, säger Peter Olson, en adjungerad professor i jord-och planetvetenskap vid University of New Mexico. ”Vad vi skulle vilja veta bättre är hur snabbt.,”

jordens kärna är till stor del gjord av järn, och den är uppdelad i två delar: en liten, kristalliserad boll av härdat järn i mitten av jorden, kallad den inre kärnan och en flytande yttre kärna som omger den inre kärnan med en ”roiling massa av smält metall”, säger Williams. Forskare har hypoteser om inre och yttre järnkärnor sedan 1800-talet på grundval av meteoriternas sammansättning.

Vi kan tacka kärnan för det blomstrande livet på jorden., Konvektion i den yttre kärnan upprätthåller magnetfältet som skyddar oss från hård solstrålning och håller vår atmosfär intakt. När flytande järn strömmar genom ett svagt magnetfält skapar det en elektrisk ström inuti planeten. I sin tur inducerar denna ström ett sekundärt magnetfält, vilket ytterligare inducerar en ström inuti kärnan. Denna slinga skapar en planetstor elektrisk generator i hjärtat av vår planet som heter geodynamo.,

forskare hade antagit att den inre kärnan måste vara mycket gammal eftersom forskning som går tillbaka årtionden hittade fingeravtryck av geodynamo i jordens äldsta överlevande stenar, som går tillbaka nästan 4 miljarder år.

Och tanken av en gammal inre kärna ”lät rimligt, säger Kei Hirose, professor i geofysik vid Universitetet i Tokyo och chef för Earth-Life Science Institute i Tokyo Institute of Technology. Det kontrollerade den viktiga rutan: en gammal inre kärna drivs geodynamo för miljarder år genom att köra termisk konvektion i den yttre kärnan.,

metallurgi ger en Hand

men Hirose märkte att få personer hade mätt värmeledningsförmågan hos järn under extrema förhållanden, och de få studier som hade slutförts, med hjälp av chockvågsexperiment, hade stor osäkerhet och var inte lätt reproducerbara. Värmeledningsförmågan kan vara ett avgörande värde för att sätta ner kärnans dynamik: kärnan kyler via både konvektion och ledning, och hur snabbt det leder värme styr hur mycket värme som lämnas över för att driva konvektion.,

den vetenskapliga litteraturen listade värden för ledningsförmågan, men värdena var ”mycket spekulativa”, säger Hirose. Så istället vände sig laget till forskning från ett annat område än en vetenskap baserad på antika civilisationer: metallurgi. Metallurgi är studien av metaller, och dess början går tillbaka till tidiga mänskliga bosättningar när smide metaller var biljetten till befästande arméer. Metallurgi lever idag som en gren av materialvetenskap med uppgift att mineral-och metallbearbetning.

”sådan litteratur var inte känd i geovetenskapssamhället”, sa Hirose., Genom att kombinera metallurgiska papper och genomföra experiment med hög temperatur i labbet drog Hiroses team slutsatsen att de antagna relationerna mellan elektrisk resistivitet och järn bröt ner vid höga temperaturer, vilket tyder på att järnens värmeledningsförmåga faktiskt var ganska hög. Om deras resultat var korrekta kyldes kärnan mycket, mycket snabbt.

upptäckten ”bröt alla modeller”, säger John Hernlund, professor och vice direktör för Earth-Life Science Institute., Hernlund, Hirose och andra skrev upp resultaten i ett bombshellpapper i 2013 som ”skapade en virtuell jordbävning i geofysik-samhället”, säger Hernlund.

i ett perspektiv som publicerades i tidskriften Science senare samma år kallade Olson frågan ”new core paradox.”Om kärnan kyler mycket snabbare än vi trodde,” är det bästa sättet runt denna paradox att tänka bortom standardmodellen för kärnutveckling”, skrev Olson. Om den inre kärnan faktiskt var mycket ung, behövde forskare bättre förklara hur geodynamo drivs.,

Diamantklädda labbarbete

Vetenskapspapperet gav upphov till nya experiment och undersökning av teorin.

de två papper som släpptes i samma utgåva av naturen i 2016 visade experimentella tar på sätter ner kärnans termiska beteende.

författarna till båda papper använde diamond städceller, en högtryckslabbenhet. Cellerna innehåller två diamanter, polerade perfekt i kottar med sina tips rakade av. Forskarna lägger en tunn skiva järn-inte tjockare än ett människohår-mellan diamanternas tips.

i årtionden har forskare utnyttjat jordens svåraste mineral, diamant, för labbexperiment., Inget annat mineral kan skrapa det, och när två motsatta diamanter är perfekt inriktade kan de klämma en bit järn till tryck som är mycket större än jordens kärna.

Hirose, som ofta använde diamant städceller i labbet, sa att även om diamanterna är starka, kan den minsta variationen i form få dem att spricka under höga tryck. Expert polermaskiner jämna sidorna av diamanter till inom 1 mikrometer, bredden på en liten bakterie. Hirose kallade en särskilt skicklig tekniker ”vår skatt”, eftersom få kan uppnå sådan precision.,

diamanter har också ett annat plus: forskare kan skjuta lasrar genom sina genomskinliga sidor för att skicka en värmepuls i provet. Båda studierna använde lasrar för att värma sina prover till tusentals kelviner.

en berättelse om två papper

i ett av diamant städsexperimenten, ett lag i Washington, DC, mätte järnens värmeledningsförmåga med två lasrar för att snabbt värma provet och mäta dess härledda temperaturförändring.,

i det andra experimentet mätte ett annat forskarlag baserat i Tokyo irons elektriska ledningsförmåga, en egenskap som var nära relaterad till värmeledningsförmåga och använde sedan ett empiriskt förhållande för att beräkna värmeledningsförmågan.

tidningarna hittade motsägelsefulla resultat, och deras avvikelser avslöjar hur svåra högtrycksförsök kan vara. Tokyogruppen föreslog ett värmeledningsvärde på 88 (+29/-13) watt per meter kelvin vid kärnmantelgränsen, medan Washington, DC, gruppen föreslog 25 (±7) watt per meter kelvin., Skillnaden i värden kan verka liten men kan innebära skillnaden mellan en inre kärna som är miljarder år gammal och en relativ nykomling till jordens inre struktur.

de experimentella skillnaderna ”kan ha att göra med den föredragna kristallorienteringen i proverna”, säger Stewart McWilliams, en forskare vid University of Edinburgh och en medförfattare till studien av Washington, DC–baserade laget.,

Hirose, som ledde laget i Japan, kom överens om att trycket som användes för att komprimera proverna skulle påverka kristallkornens orientering i järn, och de två lagen hade faktiskt tagit mätningar vinkelrätt mot varandra.

Stewart sa att han och andra nu fokuserar på att modellera de systematiska felen i experimenten som kan biasmätningar. Dessa fel ”går lite” för att förklara skillnaderna”, men inte tillräckligt”, sa han.

tiden kommer att berätta om en medelväg är svaret., Quentin Williams, som inte var involverade i antingen studier och publicerade en granskning av termisk ledningsförmåga forskning i journal Årliga Granskningar av Earth and Planetary Sciences, skrev att ”trots detta, samtidigt som man erkänner att mellanliggande påståenden är mycket farligt…det skulle inte vara förvånande (för författaren) om termisk ledningsförmåga värden, med bättre teoretisk och experimentell förbättringar som i slutändan möts på värden inom ett brett spektrum av 35 till 80 watt per meter kelvin på villkoren i toppen av den yttre kärnan.,”

a Compositional Compromise

När jorden koalesceras från en homogen spillror högen i dess differentierade, skiktade tillstånd, dess material åtskilda av densitet. Flytande material som vatten, luft och silikater stannade på toppen och i mitten, och tätt material som järn sjönk till mitten.

men enligt seismisk forskning som går tillbaka till mitten av 20-talet är jordens kärna inte rent järn., Seismiska mätningar visar att det är ca 10% mindre tät än rent järn och består av legeringar sannolikt inklusive nickel och några speciella recept av lättare element, kanske kisel, syre, magnesium och kol.

detta kan dock vara goda nyheter för kärnparadoxen. Närvaron av lättare element kan driva konvektion i kärnan, vilket ger geodynamo en konvektionskälla även om termisk konvektion är för svag. Om lättare element orsakar konvektion, ger denna källa till flytkraft en work-around till kärnparadoxen.,

Cohen, Hirose och många andra undersöker effekten av lättare element på värmetransport i kärnan. ”Det är en helt, helt öppen fråga”, sa Hirose.

nya uppföljningsstudier ökar också ante. Kenji Ohta, en docent i jord-och planetariska vetenskaper vid Tokyo Institute of Technology, sa att hans labb utforskar ett sätt att smälta prover vid höga temperaturer och tryck, något som ger forskare ett steg närmare att efterlikna jordens flytande yttre kärna. Tidigare studier har för det mesta utförts på fasta prover.,

”det här är spännande saker”, sa Williams om tävlingen för att hitta ett svar. Frågan om jordens kärna och termiska utveckling ” kommer att utgöra en utmaning för de kommande 15 åren för samhället.”

” det är den centrala frågan i jordens utveckling och utvecklingen av vårt magnetfält”, tillade Williams. ”Det är något som i slutändan bara måste räkna ut. Och så, när utmaningar som detta ställs till samhället, ibland besvaras de långsamt eftersom det är svårt att få ett bra svar. Men i slutändan kommer de att besvaras. Jag är väldigt optimistisk.,”

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), personalförfattare

bekräftelser

EOS tack vår vetenskapsrådgivare Sébastien Merkel, Mineral-och Rockfysik, för att hjälpa till att utveckla vårt juli-specialämne om högtryck, Högtemperaturexperiment, vilket inkluderar den här artikeln.