Kép jóváírása: NASA
A Berkeley Egyetem geológusai úgy vélik, hogy a radioaktív kálium jelentős hőforrás lehet a Föld magjában. A geológusok azonban felfedezték, hogy a kálium nehéz ötvözetet képezhet vasával magas hőmérsékleten és nyomáson, így valószínűleg csak a Föld közepére süllyedt, és a mag egy perc alkotóelemét képezheti - de hőének egyötödét.
A radioaktív kálium, amely elég gyakori a Földön, hogy a káliumban gazdag banánt az egyik legforróbb élelmiszerré tegye, szintén jelentős hőforrásnak tűnik a Föld magjában - a kaliforniai Berkeley-i Egyetem geofizikusainak közelmúltbeli kísérletei szerint.
A radioaktív káliumot, uránt és tóriumot úgy gondolják, hogy a Föld belsejének három fő hőforrása, eltekintve attól, amelyet a bolygó kialakulása generál. A hő együtt tartja a köpenyt aktívan forgácsolva, és a mag védő mágneses teret generál.
A geofizikusok azonban sokkal kevesebb káliumot találtak a Föld kéregében és köpenyében, mint amire számíthatnánk a sziklás meteorok összetétele alapján, amelyek állítólag a Földet képezték. Ha a hiányzó kálium, amint néhányan javasolták, a Föld vasmagjában helyezkedik el, hogyan jutott oda egy olyan könnyű elem, mint a kálium, különösen mivel a vas és a kálium nem keverednek egymáshoz?
Kanani Lee, aki nemrég szerzett Ph.D. és az UC Berkeley földtudományi és bolygótudományi professzora, Raymond Jeanloz felfedeztek egy lehetséges választ. Megmutatták, hogy a Föld belsejében a magas nyomáson és a hőmérsékleten a kálium ötvözetként képezheti a vasat, amelyet még soha nem figyeltek meg. A bolygó kialakulása során ez a kálium-vas ötvözet belemerülhetett volna a magba, kimerítheti a káliumot a fedélben és a kéregben, és radioaktív kálium-hőforrást biztosíthat a magban lévő urán és tórium mellett.
Lee az új ötvözetet úgy fejtette ki, hogy a két gyémánt csúcsa között a vas és a kálium sajtolása a felszín alatt 600-700 kilométerre jellemző hőmérsékletig és nyomásig terjed - 2500 Celsius fok és közel 4 millió font négyzetcentiméterre esik, vagyis a légköri atmoszféra atmoszférikus atmoszféra atmoszférikus atmoszféra atmoszférikus atmoszféra atmoszférikus légköre nyomás.
"Új megállapításaink azt mutatják, hogy a mag akár 1200 rész / millió káliumot is tartalmazhat - csak egy százalék tizede felett" - mondta Lee. „Ez az összeg kicsinek tűnhet, és összehasonlítható a banánban természetesen jelen lévő radioaktív kálium koncentrációjával. A Föld magjának teljes tömegére összekötve azonban elegendő lehet a Föld által kibocsátott hő egyötödének biztosításához. "
Lee és Jeanloz jelentésükről december 10-én, az amerikai geofizikai unió San Francisco-i ülésén, valamint a Geophysical Research Letters-ben közzétételre elfogadott cikkben számol be.
„Egy kísérlettel Lee és Jeanloz bebizonyította, hogy a kálium fontos hőforrás lehet a geodinamó számára, biztosította a kimenetet a mag hőfejlődésének néhány zavaró szempontjáról, és bemutatta továbbá, hogy a modern számítási ásványi fizika nem csak a kísérleti munkát egészíti ki, hanem hogy útmutatást nyújthat a gyümölcsöző kísérleti kutatásokhoz ”- mondta Mark Bukowinski, az UC Berkeley földtudományi és bolygótudományi professzora, aki a szokatlan ötvözetet az 1970-es évek közepén jósolta.
A geofizikus, Bruce Buffett, a Chicagói Egyetem figyelmezteti, hogy további kísérleteket kell végezni annak bizonyítására, hogy a vas valójában képes a káliumot elvonni a Föld köpenyében uralkodó szilikátkövekből.
"Bizonyították, hogy lehetséges a kálium feloldása folyékony vasba" - mondta Buffet. „A modellezőknek hőre van szükségük, tehát ez az egyik forrás, mivel a kálium radiogenikus izotópja hőt képes előállítani, és ez elősegítheti a mag konvekcióját és a mágneses mező meghajtását. Bebizonyították, hogy be tud lépni. Fontos az, hogy mennyit húzzanak ki a szilikátból. Még van tennivalónk ”
Ha jelentős mennyiségű kálium található meg a Föld magjában, ez felmerül egy tartós kérdést - miért van a kálium és az urán aránya a köves meteoritokban (chondritokban), amelyek feltehetően összekapcsolódtak a Föld képződéséhez, nyolcszor nagyobb, mint a megfigyelt arány a földkéregben. Bár egyes geológusok azt állították, hogy a hiányzó kálium a magban helyezkedik el, nem volt olyan mechanizmus, amellyel a mag elérhette volna. Más elemeket, mint például az oxigén és a szén formájú vegyületeket vagy ötvözeteket vasalással, feltehetően vas húzta le, mivel az a magba süllyedt. Normál hőmérsékleten és nyomáson azonban a kálium nem társul a vashoz.
Mások azt állították, hogy a hiányzó kálium a Föld evolúciójának korai, olvadt szakaszában forrázott fel.
Lee és Jeanloz demonstrációja, miszerint a kálium oldódhat a vasban ötvözet kialakulásaként, magyarázatot ad a hiányzó káliumra.
"A Föld története korai szakaszában a belső hőmérséklet és nyomás nem lennének elegendőek ahhoz, hogy ezt az ötvözetet előállítsák" - mondta Lee. "De amint egyre több meteorit halmozódik fel, a nyomás és a hőmérséklet annyira megnőtt, hogy az ötvözet kialakulhasson."
Bukowinski az 1970-es évek közepén előre jelezte ennek a nagynyomású ötvözetnek a létezését. Kvantummechanikai érvek felhasználásával azt javasolta, hogy a magas nyomás a kálium magányos külső elektronját az alsó héjba nyomja és így az atom hasonlítson a vashoz, és így valószínűbb, hogy ötvözi a vasat.
A Bayreuth Bayerisches Geoinstitute-i Egyetemen a Gerd Steinle-Neumann-nal végzett, a fejlettebb technikákat alkalmazó, kvantummechanikai számítások megerősítették az új kísérleti méréseket.
"Ez valóban megismétli és igazolja a korábbi számításokat 26 évvel ezelőtt, és fizikai magyarázatot ad a kísérleti eredményekhez" - mondta Jeanloz.
Úgy gondolják, hogy a Föld sok sziklaszteroid, valószínűleg több száz kilométer átmérőjű ütközéséből alakult ki a korai Naprendszerben. Ahogy a proto-föld fokozatosan felgyülemlett, az aszteroida ütközések és a gravitációs összeomlás folytán megolvadt a bolygó. Nehezebb elemek? különösen a vas - 10–100 millió év múlva belemerülne a magba, és más, a vashoz kötődő elemeket hordozna magában.
Fokozatosan azonban a Föld lehűlt volna és halott sziklás gömbré válna, amelynek magjában hideg vasgömb lenne, ha nem a radioaktív elemek, például kálium-40, urán-238 és tórium-232 bomlásának folyamatos hőkibocsátása. , amelynek felezési ideje 1,25 milliárd, 4 milliárd és 14 milliárd év. Minden ezer kálium atomból kb. Egy radioaktív.
A magban képződő hő konverziós dinamóvá változtatja a vasat, amely elég erős mágneses teret tart fenn ahhoz, hogy megvédje a bolygót a napszéltől. Ez a hő kiszivárog a köpenybe, és konvekciót okoz a kőzetben, amely mozgatja a kéreg lemezeket és üzemanyagokat termel a vulkánokkal.
Nehéz volt ugyanakkor kiegyensúlyozni a magban képződött hőt a radiogenikus izotópok ismert koncentrációival, és a hiányzó kálium a probléma nagy részét képezi. Az egyik kutató az év elején javasolta, hogy a kén elősegítheti a káliumnak a vashoz való társulását, és olyan eszközöket kínálhat, amelyekkel a kálium eljuthat a maghoz.
Lee és Jeanloz kísérlete azt mutatja, hogy a kén nem szükséges. Lee egyesítette a tiszta vasat és a tiszta káliumot egy gyémánt üllőcellában, és a kis mintát 26 gigapaszkál nyomásig sajtolta, miközben a mintát 2500 Kelvin (4000 fok Fahrenheit fok) feletti lézerrel melegítették, amely meghaladja a kálium és a vas olvadáspontját. Hat alkalommal végezte el ezt a kísérletet két különféle gyorsító - a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium fejlett fényforrása és a Stanford Synchrotron sugárzási laboratórium - nagy intenzitású röntgennyalábban, hogy röntgen-diffrakciós képeket kapjon a minták belső felépítéséről. A képek megerősítették, hogy a kálium és a vas egyenletesen keveredtek ötvözet kialakulásához, ugyanúgy, mint a vas és a szén keveréke az acélötvözet kialakításához.
Egy proto-föld elméleti magma-óceánjában a nyomás 400–1000 kilométer (270–670 mérföld) mélyén 15–35 gigapaszkál között lenne, a hőmérséklete pedig 2200–3000 kelvin lenne, mondta Jeanloz.
"Ezen a hőmérsékleten és nyomáson a fizika megváltozik és az elektronsűrűség eltolódik, így a kálium inkább vashoz hasonlít" - mondta Jeanloz. "Magas nyomáson a periódusos rendszer teljesen másképp néz ki."
"Lee és Jeanloz munkája az első bizonyíték arra, hogy a kálium valóban elegyedik a vasban magas nyomáson, és talán ugyanolyan jelentősen tovább igazolja azt a számítási fizikát, amely az eredeti előrejelzés alapját képezi" - mondta Bukowinski. „Ha tovább lehet bizonyítani, hogy a kálium jelentős mennyiségben jut be vasba szilikát ásványok jelenlétében, amelyek körülmények között reprezentálódnak a valószínű magképződési folyamatok, akkor a kálium biztosíthatja a szükséges extra hőt annak magyarázatához, hogy a Föld belső magja miért nem fagyott le olyan nagy, mint azt a mag hőtörténete javasolja. ”
Jeanlozt izgatja az a tény, hogy az elméleti számítások nemcsak a magas nyomáson végzett kísérleti eredményeket magyarázzák, hanem a struktúrák előrejelzését is.
"Szükségünk van teoretikusokra az érdekes problémák azonosítására, nemcsak a kísérlet után az eredmények ellenőrzésére" - mondta. - Most ez történik. Az elmúlt fél tucat évben a teoretikusok azt jósolták, hogy a kísérletezők hajlandóak néhány évet költeni demonstrálásra. ”
A munkát a Nemzeti Tudományos Alapítvány és az Energiaügyi Minisztérium támogatta.
Eredeti forrás: Berkeley Egyetem sajtóközleménye
