Az, hogy egy bolygó rendelkezik-e mágneses mezővel, hosszú utat határoz meg annak eldöntése érdekében, hogy a bolygó lakható-e vagy sem. Míg a Föld erős magnetoszférája védi az életet a káros sugárzástól és megakadályozza, hogy a napsugár szél eltávolítsa a légkörét, a bolygó olyan, mint a Mars. Ezért ment egy vastagabb atmoszférájú és felszíni folyékony vízzel rendelkező világból a hideg, kiszáradt helyre, amely ma van.
Ezért a tudósok már régóta megpróbálták megérteni a Föld mágneses mezőjének erejét. Eddig a konszenzus az volt, hogy a Föld folyékony külső magja által létrehozott dinamikus hatás a Föld forgásának ellentétes irányában forog. A Tokiói Technológiai Intézet új kutatásai azonban azt sugallják, hogy valójában annak oka lehet, hogy a Föld magjában kristályosodás van jelen.
A kutatást a Tokyo Tech Föld-élettudományi Intézetének (ELSI) tudósai végezték. A „Szilícium-dioxid kristályosodása és a Föld magjának kompozíciós evolúciója” című, a közelmúltban megjelent tanulmányuk szerint Természet - a Föld mágneses mezőjét meghajtó energiának inkább kapcsolódhat a Föld magjának kémiai összetételéhez.
A kutatócsoport számára különös aggodalomra ad okot a Föld magjának geológiai idő alatt történő lehűlésének mértéke - ami egy ideje vita tárgya. És Dr. Kei Hirose - a Föld-Élettudományi Intézet igazgatója és a cikk vezető szerzője - számára ez egész életen át tartó törekvés volt. Egy 2013-as tanulmányban megosztotta a kutatási eredményeket, amelyek megmutatták, hogy a Föld magja miként jelentősen lehűlt, mint azt korábban gondoltuk.
Ő és csapata arra a következtetésre jutott, hogy a Föld kialakulása óta (4,5 milliárd évvel ezelőtt) a mag akár 1000 ° C-kal (1,832 ° F) is lehűlt. Ezek a megállapítások meglepően meglepőek voltak a földtudományi közösség számára - ahhoz vezettek, amit az egyik tudós az „új maghőmérsékleti paradoxonnak” nevezett. Röviden: ez a maghűtés sebessége azt jelentené, hogy valamilyen más energiaforrásra lenne szükség a Föld geomágneses mezőjének fenntartásához.
Ráadásul a maghűtés kérdésével kapcsolatban néhány megoldatlan kérdés volt a mag kémiai összetételéről. Ahogyan Dr. Kei Hirose mondta a Tokyo Tech sajtóközleményében:
„A mag többnyire vas és némely nikkel, de körülbelül 10% könnyűötvözeteket is tartalmaz, például szilícium, oxigén, kén, szén, hidrogén és más vegyületek. Úgy gondoljuk, hogy sok ötvözet jelen van egyidejűleg, de nem tudjuk, hogy az egyes jelölt elemek milyen arányban lennének. ”
Ennek megoldása érdekében Hirose és munkatársai az ELSI-nál kísérleteket végeztek, ahol a különféle ötvözetek hő- és nyomásviszonyoknak voltak kitéve, mint a Föld belsejében. Ennek során egy gyémánt üllőt használtunk a por méretű ötvözetminták sajtolásához a nagynyomású körülmények szimulálására, majd melegítettük azokat lézersugárral, amíg elérték a szélsőséges hőmérsékletet.
A múltban a magban lévő vasötvözetek kutatása elsősorban a vas-szilícium ötvözetekre vagy a nagy nyomáson lévő vas-oxidra összpontosított. Kísérleteik érdekében Hirose és kollégái úgy döntöttek, hogy a szilícium és az oxigén kombinációjára összpontosítanak - amelyekről úgy gondolják, hogy léteznek a külső magban -, és az eredményeket elektronmikroszkóppal megvizsgálják.
A kutatók azt találták, hogy szélsőséges nyomás és hőviszonyok között a szilícium és az oxigén mintái szilícium-dioxid kristályok képződésekor egyesülnek - összetételük hasonló volt a földkéregben található ásványi kvarchoz. Ergo, a tanulmány kimutatta, hogy a szilícium-dioxid kristályosodása a külső magban elegendő felhajtóerőt adott fel a mag konvekciójának megteremtéséhez és egy dinamikus hatást már a Hadean eon óta.
John Hernlund, aki szintén az ELSI tagja és a tanulmány társszerzője, kifejtette:
„Ez az eredmény fontosnak bizonyult a mag energetikájának és fejlődésének megértésében. Izgatottak vagyunk, mert a számítások azt mutatták, hogy a szilícium-dioxid kristályoknak a magból történő kikristályosodása óriási új energiaforrást jelenthet a Föld mágneses mezejének táplálására. "
Ez a tanulmány nemcsak bizonyítékokat szolgáltat az úgynevezett „új maghőmérsékleti paradoxon” megoldására, hanem elősegítheti annak megértését, hogy milyen körülmények voltak a Föld és a korai Naprendszer kialakulásakor. Alapvetõen, ha a szilícium és az oxigén szilícium-dioxid kristályt képez a külsõ magban az idõ alatt, akkor elõbb vagy utóbb a folyamat leáll, amint a mag kifogy az ezekbõl az elemekbõl.
Amikor ez megtörténik, akkor számíthatunk arra, hogy a Föld mágneses mezője szenvedni fog, ami drasztikus következményekkel jár a Föld életére. Ezenkívül elősegíti a szilícium és az oxigén koncentrációjának korlátozását, amelyek a magban a Föld első kialakulásakor voltak jelen, és ez hosszú utat eredményezhet a Naprendszer kialakulásáról szóló elméleteink ismertetése során.
Sőt, ez a kutatás segíthet a geofizikusoknak annak meghatározásában, hogy más bolygók (például a Mars, a Vénusz és a Mercury) mikor és milyen mágneses mezőkkel rendelkeztek (és valószínűleg ötletekhez vezetik, hogyan lehetne őket újra bekapcsolni). Segíthetne az exoplanet vadászat tudományos csapatainak abban is, hogy meghatározzák, mely exoplaneteknek vannak mágneses gömbjei, és ez lehetővé tenné számunkra, hogy megtudjuk, mely napokon kívüli világok lehetnek életképesek.
