Egy új elmélet elmagyarázza, hogy a Föld belső magja szilárd marad a rendkívüli meleg ellenére

Annak ellenére, hogy melegebb, mint a Nap felszíne, a Föld kristályosodott vasmagja szilárd marad. A svéd KTH Királyi Műszaki Intézet egy új tanulmánya végül hosszan tartó vitát rendezhet arról, hogy ez hogyan lehetséges, valamint arról, hogy a szeizmikus hullámok miért haladnak nagyobb sebességgel a bolygó pólusai között, mint az Egyenlítőn keresztül.

elmélet

A Föld olvadt magjában forog egy kristálygömb - valójában szinte tiszta kristályosított vas tömeges képződése - majdnem akkora, mint a hold. Bolygónk ezen furcsa, megfigyelhetetlen tulajdonságának megértése ezen kristályok atomszerkezetének ismeretétől függ - amit a tudósok évek óta próbálnak megtenni.

Mint minden fém esetében, a vas atomi méretű kristályszerkezete is változik a fém hőmérsékletének és nyomásának függvényében. Az atomok köbös, valamint hatszögletű alakzatok változataiba vannak csomagolva. Szobahőmérsékleten és normál légköri nyomáson a vas úgynevezett testközpontú köbös (BCC) fázisban van, amely nyolc sarok- és középpontú kristály architektúra. De rendkívül nagy nyomáson a kristályos struktúrák 12 pontos hatszögletű formákká vagy közeli csomagolású (HCP) fázisokká alakulnak át.

A Föld magjában, ahol a nyomás 3,5 milliószor nagyobb, mint a felszíni nyomás - és a hőmérséklet körülbelül 6000 fokkal magasabb -, a tudósok azt javasolták, hogy a vas atomi felépítésének hatszögletűnek kell lennie. Az, hogy a BCC vas van-e a Föld közepén, az elmúlt 30 évben vitatott, és egy nemrégiben elvégzett 2014-es tanulmány kizárta azt állítva, hogy a BCC instabil lenne ilyen körülmények között.

A Nature Geosciences egyik nemrégiben megjelent tanulmányában azonban a KTH kutatói megállapították, hogy a Föld magjában a vas valóban a BCC fázisban van. Anatolij Belonoshko, a KTH Fizikai Tanszékének kutatója azt mondja, hogy amikor a kutatók a korábban tanulmányozottnál nagyobb számítási vasmintákat vizsgáltak, a BCC vas jellemzői, amelyekről azt gondolták, hogy instabillá teszik, éppen az ellenkezőjét vetik fel.

"A Föld magjának körülményei között a BCC vas atomdiffúziós mintáját soha nem figyelték meg" - mondja Belonoshko.

Belonoshko szerint az adatok azt is mutatják, hogy a tiszta vas valószínűleg a belső mag összetételének 96% -át teszi ki, valamint nikkel és esetleg könnyű elemek.

Következtetéseiket az egyik legnagyobb svéd szuperszámítógép, a Triolith segítségével végzett munkaigényes számítógépes szimulációkból vonják le. Ezek a szimulációk lehetővé tették számukra, hogy újraértelmezzék a három évvel ezelőtt a kaliforniai Livermore Lawrence Nemzeti Laboratóriumban gyűjtött megfigyeléseket. "Úgy tűnik, hogy a kísérleti adatok, amelyek megerősítik a BCC vas stabilitását a magban, előttünk voltak - csak azt nem tudtuk, hogy ez valójában mit jelent" - mondja.

Alacsony hőmérsékleten a BCC instabil, és a kristályos síkok kicsúsznak az ideális BCC szerkezetből. De magas hőmérsékleten ezeknek a szerkezeteknek a stabilizálódása hasonlóan kezdődik, mint egy kártyajáték - egy "pakli" keverésével. Belonoshko azt mondja, hogy a mag rendkívüli melegében az atomok már nem tartoznak a síkokhoz az atommozgás nagy amplitúdója miatt.

"Ezeknek a repülőgépeknek a csúszása kicsit olyan, mint egy pakli kártya keverése" - magyarázza. "Annak ellenére, hogy a kártyákat különböző pozíciókba helyezik, a pakli továbbra is pakli. Hasonlóképpen, a BCC vas megtartja köbös szerkezetét."

Egy ilyen keverés a molekulák és az energia eloszlásának hatalmas növekedéséhez vezet - ami növekvő entrópiához vagy az energiaállapotok eloszlásához vezet. Ez viszont stabilá teszi a BCC-t.

Normális esetben a diffúzió elpusztítja a kristályszerkezeteket folyadékká alakítva. Ebben az esetben a diffúzió lehetővé teszi a vas számára a BCC szerkezet megőrzését. "A BCC fázis mottója:" Ami nem öl meg, az erősebbé tesz "- mondja Belonoshko. "Az instabilitás alacsony hőmérsékleten megöli a BCC fázist, de magas hőmérsékleten stabilá teszi a BCC fázist."

Azt mondja, hogy ez a diffúzió azt is megmagyarázza, hogy a Föld magja miért anizotróp - vagyis olyan textúrájú, amely irányított - mint a faszem. Az anizotrópia megmagyarázza, hogy a szeizmikus hullámok miért haladnak gyorsabban a Föld pólusai között, mint az Egyenlítőn.

"A Fe BCC fázis egyedülálló tulajdonságai, például a magas hőmérsékletű öndiffúzió még tiszta szilárd vasban is, felelősek lehetnek a Föld belső mag anizotropiájának magyarázatához szükséges nagyszabású anizotrop struktúrák kialakulásáért" - mondja. "A diffúzió lehetővé teszi a vas könnyű textúrázását bármilyen stressz hatására."

A jóslat megnyitja az utat a Föld belsejének megértéséhez és végül a Föld jövőjének megjóslásához - mondja Belonoshko. "A Földtudományok végső célja a Föld múltjának, jelenének és jövőjének megértése - és jóslatunk lehetővé teszi számunkra, hogy ezt tegyük."