Kujutise krediit: NASA
Berkeley ülikooli geoloogide arvates võib radioaktiivne kaalium olla Maa tuumas oluline soojusallikas. Geoloogid avastasid siiski, et kaalium võib kõrge temperatuuri ja rõhu all moodustada rauaga raske sulami, nii et see võib olla vajunud lihtsalt Maa keskele ja moodustada tuuma minutikomponendi - kuid viiendiku selle kuumusest.
Radioaktiivne kaalium, mis on Maal piisavalt tavaline, et muuta kaaliumirikkad banaanid üheks kõige kuumemaks toiduks, näib olevat California tuumajaamas Berkeley geofüüsikute hiljutiste katsete kohaselt ka Maa tuumas oluline soojusallikas.
Radioaktiivne kaalium, uraan ja toorium arvatakse olevat kolm peamist soojusallikat Maa sisemuses, lisaks sellele, mis tekib planeedi moodustamisel. Koos hoiab kuumus vahevöö aktiivselt kloppimist ja tuum tekitab kaitsva magnetvälja.
Kuid geofüüsikud on leidnud maa koorikust ja vahevööst palju vähem kaaliumi, kui arvata võiks Maa moodustanud kiviste meteooride koostise põhjal. Kui puuduvat kaaliumi leidub Maa rauasüdamikus, nagu mõned on soovitanud, siis kuidas jõudis sinna nii kerge kaaliumisisaldusega element, eriti kuna raud ja kaalium ei segune?
Kanani Lee, kes teenis hiljuti doktorikraadi UC Berkeley ja UC Berkeley maa- ja planeediteaduse professor Raymond Jeanloz on avastanud võimaliku vastuse. Nad on näidanud, et Maa sisemuse kõrge rõhu ja temperatuuri korral võib kaalium moodustada sulami rauaga, mida varem pole täheldatud. Planeedi moodustumise ajal võis see kaalium-raua sulam vajuda südamikku, kahandades pealmises vahevöös kaaliumi kaaliumi ja pakkudes radioaktiivset kaaliumi soojusallikat lisaks tuuma uraanile ja tooriumile.
Lee lõi uue sulami, pigistades rauda ja kaaliumi kahe teemandi tipude vahel temperatuurini ja rõhuni, mis on iseloomulik pinnale 600–700 kilomeetrit - 2500 kraadi Celsiuse järgi ja ligi 4 miljonit naela ruuttoll või veerand miljonit korda atmosfääri surve.
"Meie uued leiud näitavad, et tuum võib sisaldada koguni 1200 osa kaaliumi miljoni kohta - lihtsalt üle ühe kümnendiku protsendist," ütles Lee. „See kogus võib tunduda väike ja võrreldav banaanides looduslikult esineva radioaktiivse kaaliumi kontsentratsiooniga. Maa tuuma kogu massist kombineerituna võib sellest siiski piisata, et anda üks viiendik Maa eraldatud soojusenergiast. "
Lee ja Jeanloz annavad oma tähelepanekutest teada 10. detsembril Ameerika Geofüüsikalise Liidu koosolekul San Franciscos ja artiklis, mis aktsepteeritakse avaldamiseks ajakirjas Geophysical Research Letters.
“Ühe katsega näitasid Lee ja Jeanloz, et kaalium võib olla geodünaamika jaoks oluline soojusallikas, pakkusid väljapääsu tuuma soojuse evolutsiooni mõnest häirivast aspektist ja näitasid lisaks, et tänapäevane arvutuslik mineraalfüüsika ei täienda mitte ainult katsetööd, vaid et see võib anda juhiseid viljakateks eksperimentaalseteks uuringuteks, ”ütles UC Berkeley maa ja planeediteaduse professor Mark Bukowinski, kes ennustas ebatavalist sulamit 1970. aastate keskpaigas.
Chicago ülikooli geofüüsik Bruce Buffett hoiatab, et tuleb teha rohkem katseid, et näidata, et raud võib tõepoolest kaaliumi eemale tõmmata silikaatkivimitest, mis domineerivad Maa vahevöös.
"Nad tõestasid, et kaaliumi on võimalik lahustada vedelasse rauda," sõnas Buffet. „Modelerid vajavad soojust, seega on see üks allikas, kuna kaaliumi radiogeenne isotoop võib toota soojust ja see võib aidata energia konvektsiooni tuumas ja juhtida magnetvälja. Nad tõestasid, et see võib sisse minna. Tähtis on see, kui palju silikaadist välja tõmmatakse. Veel on veel tööd teha ”
Kui Maa tuumas leidub märkimisväärses koguses kaaliumi, lahendaks see püsiva küsimuse - miks on kaaliumisisalduse ja uraani suhe kivistes meteoriitides (chondrites), mis arvatavasti ühinesid Maa moodustamiseks, kaheksa korda suurem kui täheldatud suhe maakoores. Ehkki mõned geoloogid on väitnud, et kadunud kaalium asub tuumas, polnud mehhanismi, mille abil see oleks võinud tuuma jõuda. Teised elemendid, nagu hapniku ja süsiniku vormis ühendid või rauaga sulamid, lohistati oletatavasti rauaga, kuna see vajus südamikku. Kuid normaalsel temperatuuril ja rõhul ei seostu kaalium rauaga.
Teised on väitnud, et kadunud kaalium keevas Maa evolutsiooni varases sulajärgus ära.
Lee ja Jeanlozi tõestus, et kaalium võib sulamis moodustuda rauas, selgitab puuduvat kaaliumi.
"Maa ajaloo alguses ei oleks sisetemperatuur ja -rõhk olnud selle sulami valmistamiseks piisavalt kõrged," ütles Lee. "Kuid üha enam meteoriite kuhjudes oleks rõhk ja temperatuur tõusnud punktini, kus see sulami moodustada võiks."
Bukowinski ennustas selle kõrgsurve sulami olemasolu 1970. aastate keskel. Kasutades kvantmehaanilisi argumente, pakkus ta välja, et kõrge rõhk pigistaks kaaliumi üksildase välimise elektroni alumisse kesta, muutes aatomi sarnaseks rauaga ja seega sulanduma suurema tõenäosusega rauaga.
Hilisemad täiustatud tehnikaid kasutavad kvantmehaanilised arvutused, mis tehti Gerd Steinle-Neumanniga Bayreuthi Bayerisches Geoinstitute ülikoolis, kinnitasid uusi eksperimentaalseid mõõtmisi.
"See kordab ja kontrollib varasemaid arvutusi 26 aastat tagasi ja annab meie katsetulemustele füüsilise seletuse," ütles Jeanloz.
Arvatakse, et Maa on moodustunud paljude, võib-olla sadade kilomeetrise läbimõõduga kiviste asteroidide kokkupõrkest varases Päikesesüsteemis. Kui Proto-Maa järk-järgult suurenes, hoidsid jätkuvad asteroidide kokkupõrked ja gravitatsiooniline kokkuvarisemine planeedi sulaks. Raskemad elemendid? eriti raud - oleks 10–100 miljoni aasta pärast südamikku vajunud, kandes endaga kaasas muid rauaga seonduvaid elemente.
Järk-järgult oleks Maa siiski jahtunud ja muutunud surnud kiviseks maakeraks, mille keskmes oleks külm raudpall, kui mitte siis, kui radioaktiivsed elemendid, nagu kaalium-40, uraan-238 ja toorium-232, lagunevad pidevalt soojust. , mille poolestusaeg on vastavalt 1,25 miljardit, 4 miljardit ja 14 miljardit aastat. Ligikaudu üks tuhandest kaaliumi aatomist on radioaktiivne.
Südamikus tekkiv soojus muudab raua konvektiivseks dünamoks, mis hoiab piisavalt tugevat magnetvälja, et kaitsta planeeti päikesetuule eest. See kuumus lekib vahevöösse, põhjustades konvektsiooni kivimis, mis liigutab koorikplaate ja kütab vulkaane.
Südamikus tekkiva soojuse tasakaalustamine teadaolevate radiogeensete isotoopide kontsentratsioonidega on siiski olnud keeruline ja puudujääv kaalium on olnud probleemi suur osa. Üks teadlane pakkus selle aasta alguses välja, et väävel võiks aidata kaaliumi seostada rauaga ja pakkuda vahendit, mille abil kaalium võiks jõuda südamikku.
Lee ja Jeanlozi eksperiment näitab, et väävel pole vajalik. Lee ühendas puhta raua ja puhta kaaliumi teemandi alasi rakuga ja pigistas väikese proovi rõhuni 26 gigapaskalit, kuumutades proovi laseriga üle 2500 kelvini (4000 kraadi Fahrenheiti), mis on kõrgem nii kaaliumi kui ka raua sulamistemperatuurist. Ta viis seda katset kuus korda läbi kahe erineva kiirendi - Lawrence Berkeley riikliku labori täpse valgusallika ja Stanfordi sünkrotronkiirguse laboratooriumi - kõrge intensiivsusega röntgenikiirguses, et saada proovide sisestruktuuri röntgendifraktsioonipilte. Kujutised kinnitasid, et kaalium ja raud on segunenud ühtlaselt, moodustades sulami, sama palju kui raua ja süsiniku segu, et moodustada sulami.
Proto-Maa teoreetilises magma ookeanis oleks rõhk 400–1000 kilomeetri (270–670 miili) sügavusel vahemikus 15–35 gigapaskalit ja temperatuur 2200–3000 kelvinit, ütles Jeanloz.
"Nendel temperatuuridel ja rõhul muutub füüsika ja elektrontihedus nihkub, muutes kaaliumi raua sarnaseks," ütles Jeanloz. "Kõrgrõhul näeb perioodiline tabel välja täiesti erinev."
"Lee ja Jeanlozi töö on esimene tõend selle kohta, et kaalium on tõepoolest kõrge rõhu all rauas segunev ja võib-olla sama märkimisväärselt õigustab see veelgi arvutusfüüsikat, mis on algses ennustuses aluseks," ütles Bukowinski. „Kui saab täiendavalt tõestada, et kaaliumi satub olulises koguses rauda silikaatmineraalide juuresolekul - tingimused, mis esindavad tuuma tõenäolisi moodustumisprotsesse, võib kaalium pakkuda täiendavat soojust, mis on vajalik selgitamaks, miks Maa sisemine tuum pole külmunud nii suur kui südamiku soojusajalugu soovitab. "
Jeanlozi erutab asjaolu, et teoreetilised arvutused ei selgita nüüd mitte ainult kõrgel rõhul tehtud eksperimentaalseid tulemusi, vaid ennustavad ka struktuure.
"Vajame teoreetikuid huvitavate probleemide väljaselgitamiseks, mitte ainult katse tulemuste kontrollimiseks," sõnas ta. “See toimub nüüd. Viimase poole tosina aasta jooksul on teoreetikud ennustanud, et eksperimenteerijad on nõus paar aastat demonstreerimiseks kulutama. ”
Tööd rahastasid Riiklik Teadusfond ja energeetikaosakond.
Algne allikas: Berkeley ülikooli pressiteade
