Draslík by mohol zohrievať jadro Zeme

Pin
Send
Share
Send

Obrazový kredit: NASA

Geológovia z University of Berkeley veria, že rádioaktívny draslík môže byť podstatným zdrojom tepla v jadre Zeme. Geológovia však zistili, že draslík môže pri vysokých teplotách a tlakoch tvoriť ťažkú ​​zliatinu so železom, takže by sa mohol zapustiť do stredu Zeme a mohol by tvoriť minútovú súčasť jadra - ale jednu pätinu svojho tepla.

Podľa nedávnych experimentov Kalifornskej univerzity v Berkeley sa zdá, že rádioaktívny draslík, dostatočne bežný na Zemi, aby sa banány bohaté na draslík stali jednou z „najteplejších“ potravín v okolí, je podstatným zdrojom tepla v jadre Zeme.

Rádioaktívny draslík, urán a tórium sa považujú za tri hlavné zdroje tepla vo vnútri Zeme, okrem tých, ktoré vznikajú pri tvorbe planéty. Teplo spolu udržuje plášť plášťom a jadro vytvára ochranné magnetické pole.

Geofyzici však našli oveľa menej draslíka v zemskej kôre a plášti, ako by sa očakávalo na základe zloženia skalných meteorov, ktoré údajne tvorili Zem. Ak, ako niektorí navrhujú, chýba draslík v železnom jadre Zeme, ako sa tam dostal prvok, ktorý je taký ľahký ako draslík, najmä preto, že sa nemieša železo a draslík?

Kanani Lee, ktorá nedávno získala titul Ph.D. od UC Berkeley a UC Berkeley, profesor Zeme a planéty Raymond Jeanloz objavili možnú odpoveď. Ukázali, že pri vysokých tlakoch a teplotách vo vnútri Zeme môže draslík tvoriť zliatinu so železom, ktorá sa nikdy predtým nepozorovala. Počas formovania planéty sa mohla táto zliatina draslíka a železa potopiť do jadra, čím vyčerpala draslík v nadložnom plášti a kôre a poskytla rádioaktívny zdroj draslíka okrem zdroja dodávaného v jadre uránu a tória.

Lee vytvoril novú zliatinu vytlačením železa a draslíka medzi špičkami dvoch diamantov na teploty a tlaky charakteristické pre 600-700 kilometrov pod povrchom - 2 500 stupňov Celzia a takmer 4 milióny libier na štvorcový palec alebo štvrtinu milióna krát atmosférickej tlak.

"Naše nové zistenia naznačujú, že jadro môže obsahovať až 1 200 dielov na milión draslíka - len na jednu desatinu jedného percenta," uviedol Lee. „Toto množstvo sa môže javiť ako malé a je porovnateľné s koncentráciou rádioaktívneho draslíka, ktorý sa prirodzene vyskytuje v banánoch. V kombinácii s celou hmotou jadra Zeme však môže stačiť poskytnúť jednu pätinu tepla vydávaného Zemou. ““

Lee a Jeanloz oznámia svoje zistenia 10. decembra na stretnutí Americkej geofyzikálnej únie v San Franciscu a v článku prijatom na uverejnenie v Geofyzikálnom výskumnom liste.

„Jedným experimentom Lee a Jeanloz demonštrovali, že draslík môže byť dôležitým zdrojom tepla pre geodynamo, poskytol cestu z niektorých nepríjemných aspektov tepelného vývoja jadra, a ďalej preukázal, že moderná výpočtová minerálna fyzika nielen dopĺňa experimentálnu prácu, ale tiež že môže poskytnúť návod na plodné experimentálne výskumy, “uviedol Mark Bukowinski, profesor zemskej a planetárnej vedy na UC Berkeley, ktorý predpovedal neobvyklú zliatinu v polovici 70. rokov.

Geofyzik Bruce Buffett z University of Chicago varuje, že je potrebné urobiť viac experimentov, aby sa ukázalo, že železo môže skutočne vytiahnuť draslík zo silikátových hornín, ktoré dominujú v zemskom plášti.

"Dokázali, že je možné rozpustiť draslík do tekutého železa," uviedol Buffet. „Modelári potrebujú teplo, takže toto je jeden zdroj, pretože rádiogénny izotop draslíka môže produkovať teplo, čo môže pomôcť prúdeniu energie v jadre a poháňať magnetické pole. Dokázali, že by to mohlo ísť. Dôležité je, koľko je vytiahnuté zo silikátu. Stále je potrebné urobiť veľa práce. “

Keby v jadre Zeme zostalo značné množstvo draslíka, objasnilo by to pretrvávajúcu otázku - prečo je pomer draslíka k uránu v kamenitých meteoritoch (chondritoch), ktoré sa pravdepodobne spájajú, aby vytvorili Zem, je osemkrát väčší ako pozorovaný pomer v zemskej kôre. Hoci niektorí geológovia tvrdili, že chýbajúci draslík sa nachádza v jadre, neexistoval žiaden mechanizmus, ktorým by sa mohol dostať do jadra. Ostatné prvky, ako sú zlúčeniny kyslíka a uhlíka alebo ich zliatiny so železom, boli pravdepodobne stiahnuté železom, keď klesalo do jadra. Ale pri normálnej teplote a tlaku sa draslík nespája so železom.

Iní tvrdia, že chýbajúci draslík sa vyvalil v ranom, roztavenom štádiu vývoja Zeme.

Preukázanie Lee a Jeanloza, že draslík sa môže rozpustiť v železe za vzniku zliatiny, poskytuje vysvetlenie pre chýbajúci draslík.

"Na začiatku histórie Zeme by vnútorná teplota a tlak neboli dosť vysoké na to, aby sa táto zliatina vyrobila," uviedol Lee. "Ale ako sa hromadí viac a viac meteoritov, tlak a teplota by sa zvýšili do bodu, keď by sa mohla zliatina tvoriť."

Existenciu tejto vysokotlakovej zliatiny predpovedal Bukowinski v polovici 70. rokov. S použitím kvantových mechanických argumentov navrhol, že vysoký tlak by vytlačil osamelý vonkajší elektrón draslíka do spodnej časti obalu, čím by sa atóm podobal železu, a tým by sa viac pravdepodobne legoval so železom.

Nové experimentálne merania potvrdili novšie kvantové mechanické výpočty využívajúce vylepšené techniky, ktoré boli vykonané s Gerdom Steinle-Neumannom na Bayerisches Geoinstitút Universität Bayreuth.

„Toto skutočne kopíruje a overuje predchádzajúce výpočty pred 26 rokmi a poskytuje fyzikálne vysvetlenie našich experimentálnych výsledkov,“ povedal Jeanloz.

Predpokladá sa, že Zem vznikla zrážkou mnohých skalných asteroidov s priemerom stovky kilometrov v skorej slnečnej sústave. Keď sa proto-Zem postupne zväčšovala, pokračujúce zrážky asteroidov a gravitačný kolaps udržali planétu roztavenú. Ťažšie prvky? najmä železo - kleslo by do jadra o 10 až 100 miliónov rokov, pričom by obsahovalo ďalšie prvky, ktoré sa viažu na železo.

Postupne by sa však Zem ochladila a stala by sa mŕtvou skalnatou guľou so studenou železnou guľkou v jadre, ak nie na pokračujúce uvoľňovanie tepla rozkladom rádioaktívnych prvkov, ako je draslík-40, urán-238 a tória-232. , ktoré majú polčas rozpadu 1,25 miliardy, 4 miliardy a 14 miliárd rokov. Rádioaktívne je asi jeden z každých tisíc atómov draslíka.

Teplo generované v jadre premieňa železo na konvekčné dynamo, ktoré udržuje dostatočne silné magnetické pole, aby chránilo planétu pred slnečným vetrom. Toto teplo uniká do plášťa a spôsobuje konvekciu v skale, ktorá pohybuje krustovými platňami a poháňa sopky.

Vyváženie tepla generovaného v jadre známymi koncentráciami rádiogénnych izotopov bolo však ťažké a chýbajúci draslík bol veľkou časťou problému. Jeden vedec začiatkom tohto roka navrhol, že síra by mohla pomôcť spojiť draslík so železom a poskytnúť prostriedky, pomocou ktorých by sa draslík mohol dostať do jadra.

Experiment Lee a Jeanloz ukazuje, že síra nie je potrebná. Lee kombinoval čisté železo a čistý draslík v kosoštvorcovej kovadlinkovej komore a stlačil malú vzorku na 26 gapascalov tlaku, zatiaľ čo sa vzorka zahrievala laserom nad 2 500 Kelvinov (4 000 stupňov Fahrenheita), čo je nad teplotou topenia draslíka aj železa. Tento experiment uskutočnila šesťkrát v röntgenových lúčoch s vysokou intenzitou dvoch rôznych urýchľovačov - zdokonaleného zdroja svetla Lawrence Berkeley National Laboratory a Laboratória Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, aby získala röntgenové difrakčné snímky vnútornej štruktúry vzoriek. Obrázky potvrdili, že draslík a železo sa miešali rovnomerne za vzniku zliatiny, rovnako ako zmes železa a uhlíka za vzniku zliatiny ocele.

V teoretickom magmatickom oceáne proto-Zeme by tlak v hĺbke 400 - 1 000 km (270 - 670 míľ) bol medzi 15 a 35 gigapascalmi a teplota by mala byť 2 200 - 3 000 Kelvinov, povedal Jeanloz.

"Pri týchto teplotách a tlakoch sa mení základná fyzika a mení sa hustota elektrónov, takže draslík vyzerá skôr ako železo," povedal Jeanloz. "Pri vysokom tlaku vyzerá periodická tabuľka úplne inak."

"Práca Lee a Jeanloza poskytuje prvý dôkaz, že draslík je skutočne miešateľný so železom pri vysokých tlakoch a pravdepodobne rovnako významne potvrdzuje výpočtovú fyziku, ktorá je základom pôvodnej predikcie," uviedol Bukowinski. „Ak je možné ďalej preukázať, že draslík by vnikol železo vo významných množstvách v prítomnosti silikátových minerálov, čo sú podmienky predstavujúce pravdepodobné procesy tvorby jadra, draslík by mohol poskytnúť ďalšie teplo potrebné na vysvetlenie toho, prečo sa vnútorné jadro Zeme nezmrazilo na tak veľká, ako to naznačuje tepelná história jadra. “

Jeanloz je nadšený skutočnosťou, že teoretické výpočty teraz nielen vysvetľujú experimentálne zistenia pri vysokom tlaku, ale tiež predpovedajú štruktúry.

"Potrebujeme teoretikov, aby identifikovali zaujímavé problémy, nielen skontrolovali naše výsledky po experimente," uviedol. "To sa deje teraz." V posledných pol tucte teoretici robili predpovede, ktoré sú experimentátori ochotní stráviť niekoľko rokov demonštrovaním. “

Prácu financovala Národná vedecká nadácia a Ministerstvo energetiky.

Pôvodný zdroj: News of University of Berkeley

Pin
Send
Share
Send