Кредитна слика: НАСА
Геолози са Универзитета у Берклију верују да би радиоактивни калијум могао да буде значајан извор топлоте у земљиној језгри. Међутим, геолози су открили да калијум може да формира тешку легуру гвожђа под високим температурама и притисцима, па је можда управо потонуо на средину Земље и могао да формира минутну компоненту језгра - али петину своје топлоте.
Радиоактивни калијум, довољно уобичајен на Земљи да банане богате калијумом постају једна од "најтоплијих" намирница наоколо, изгледа да је и значајан извор топлоте у језгри Земље, показују недавни експерименти геофизичара Универзитета Калифорнија, Беркелеи.
Сматра се да су радиоактивни калијум, уранијум и торијум три главна извора топлоте у унутрашњости Земље, осим оних који настају формирањем планете. Заједно, топлота одржава плашт активно струјање, а језгро ствара заштитно магнетно поље.
Али геофизичари су пронашли много мање калијума у Земљиној кори и плашту него што би се могло очекивати на основу састава стеновитих метеора који су наводно формирали Земљу. Ако, као што су неки предложили, калијум који недостаје налази се у земљиној гвозденој језгри, како је до њега дошло тако лако светло као калијум, посебно пошто се гвожђе и калијум не мешају?
Канани Лее, која је недавно стекла докторат. од УЦ Беркелеи, и професор УЦ Беркелеи за науку о земљи и планети Раимонд Јеанлоз открили су могући одговор. Показали су да при високим притисцима и температурама у унутрашњости Земље, калијум може да формира легуру са гвожђем никада раније примећену. Током формирања планете, ова легура калијум-гвожђа могла је потонути до језгре, исцрпљујући калијум у прекривачу плашта и коре и обезбедити радиоактивни извор калијума топлоте, осим оног који обезбеђује уранијум и торијум у језгри.
Ли је створио нову легуру притиском гвожђа и калијума између врхова два дијаманта на температурама и притисцима карактеристичним за 600-700 километара испод површине - 2.500 степени Целзијуса и готово 4 милиона фунти по квадратном инчу, односно четврт милиона милиона атмосферских притисак.
"Наша нова открића показују да језгра може садржати чак 1.200 делова на милион калијума - тачно више од једне десетине процента", рекао је Лее. „Ова количина може изгледати мала и упоредива је са концентрацијом радиоактивног калијума који је природно присутан у бананама. Међутим, у комбинацији преко читаве масе Земљиног језгра, то може бити довољно да се обезбеди петина топлине коју Земљу одаје. "
Лее и Јеанлоз ће извести своја открића 10. децембра, на састанку Америчке геофизичке уније у Сан Франциску, и у чланку прихваћеном за објављивање у Геопхисицал Ресеарцх Леттерс.
„Једним експериментом, Лее и Јеанлоз су показали да је калијум важан извор топлоте за геодинаму, пружили су излаз из неких проблематичних аспеката термичке еволуције језгре и додатно показали да модерна рачунска физика минерала не само да допуњује експериментални рад, већ да може пружити смернице за плодна експериментална истраживања ", рекао је Марк Буковински, професор земље и планетарних наука на УЦ Беркелеи, који је предвидио необичну легуру средином 1970-их.
Геофизичар Бруце Буффетт са Универзитета у Чикагу упозорава да је потребно учинити више експеримената како би се показало да гвожђе може заправо одвући калијум из силикатних стијена које доминирају у Земљином плашту.
„Доказали су да је могуће растварање калијума у течно гвожђе,“ рекао је Буффет. „Моделарима је потребна топлота, тако да је ово један извор, јер радиогени изотоп калијума може произвести топлоту и то може помоћи конвекцији енергије у језгри и покренути магнетно поље. Доказали су да може ући. Важно је колико је извучено из силиката. Има још посла “
Ако значајна количина калијума живи у земљиној језгри, то би отклонило дуготрајно питање - зашто је однос калијума и уранијума у каменим метеоритима (хондритима), који се претпоставља да се сакупљао у Земљу, осам пута већи од посматраног однос у Земљиној кори. Иако су неки геолози тврдили да недостајући калијум борави у језгри, није постојао механизам којим би могао доћи до језгре. Остали елементи попут кисеоника и једињења угљеника стварају гвожђе и претпоставља се да су гвожђе повлачили доле док је падао до језгре. Али при нормалној температури и притиску, калијум се не повезује са гвожђем.
Други су тврдили да је нестали калијум кипарио током ране, истопљене фазе еволуције Земље.
Демонстрације Лее и Јеанлоз-а да се калијум може растворити у гвожђу да би створио легуру пружа објашњење за недостајући калијум.
"У раној историји Земље, унутрашња температура и притисак не би били довољно високи да чине ову легуру", рекао је Лее. "Али како је све више метеорита нагомилано, притисак и температура би се повећали до тачке у којој би се та легура могла формирати."
Средину 1970-их Буковински је предвидио постојање ове легуре високог притиска. Користећи квантно механичке аргументе, он је сугерисао да ће високи притисак притиснути усамљени спољашњи електрон у доњу шкољку, чинећи атом сличан гвожђу и тако вероватније легирати гвожђем.
Новија квантна механичка израчунавања помоћу побољшаних техника, извршена са Гердом Стеинле-Неуманном на Универзитету Баиреут'с Баиерисцхес Геоинститут, потврдила су нова експериментална мерења.
"Ово стварно понавља и потврђује ранија израчуна пре 26 година и пружа физичко објашњење за наше експерименталне резултате", рекао је Јеанлоз.
Сматра се да је Земља настала од судара многих каменитих астероида, пречника стотина километара, у раном Сунчевом систему. Како се прото-Земља постепено гомилала, континуирани удари астероида и гравитациони колапс одржавали су планету истопљеном. Тежи елементи? нарочито гвожђе - потонуло би до језгре у времену од 10 до 100 милиона година, носећи са собом и друге елементе који се вежу за гвожђе.
Међутим, постепено би се Земља охладила и постала мртва стеновита кугла са хладном гвозденом куглицом у језгру да није продужено ослобађање топлоте распадом радиоактивних елемената попут калијума-40, уранијума-238 и торијума-232 , који имају полуживот од 1,25 милијарди, 4 милијарде и 14 милијарди година, респективно. Отприлике сваки на хиљаду атома калијума је радиоактиван.
Топлота која се ствара у језгри претвара гвожђе у конвексни динамо који одржава магнетно поље довољно јако да заштити планету од сунчевог ветра. Та топлота исцури у плашт, изазивајући конвекцију у стени која креће плоче са крупним влакнима и гори вулкане.
Међутим, тешко је уравнотежити топлоту која се ствара у језгри са познатим концентрацијама радиогених изотопа, а недостајући калијум представља велики део проблема. Један истраживач предложио је раније ове године да сумпор може помоћи калијуму да се повеже са гвожђем и обезбеди средство којим калијум може да дође до језгре.
Експеримент Лее и Јеанлоз показује да сумпор није потребан. Лее је комбиновао чисто гвожђе и чисти калијум у ћелији дијамантске наковањ и стиснуо мали узорак притиска на 26 гигапаскала док је узорак загревао ласером изнад 2.500 Келвина (4.000 степени Фаренхајта), што је изнад талишта талишта и калијума. Овај експеримент је провела шест пута на рендгенским сноповима високог интензитета два различита акцелератора - Напредном извору светлости Лавренце Беркелеи Натионал Лаборатори и Лабораторији за зрачење Станфорд Синцхротрон - како би добили рендгенске дифракционе слике унутрашње структуре узорака. Слике су потврдиле да се калијум и гвожђе равномерно мешају да би створили легуру, колико и гвожђе и угљеник да би формирали легуру челика.
У теоретском магманском океану прото-Земље, притисак на дубини од 400-1000 километара (270-670 миља) износио би између 15 и 35 гигапаскала, а температура би била 2.200-3.000 Келвина, рекао је Јеанлоз.
"При овим температурама и притисцима, основна физика се мења и густина електрона се помера, чинећи калијум више личи на гвожђе", рекао је Јеанлоз. "При високом притиску, периодична табела изгледа потпуно другачије."
„Рад Лее и Јеанлоз-а пружа први доказ да се калијум заиста може мешати са гвожђем при високим притисцима и, можда колико и значајно, додатно указује на рачунску физику која је у основи првобитне прогнозе“, рекао је Буковински. „Ако се даље може показати да би калијум уносио гвожђе у значајним количинама у присуству силикатних минерала, услова репрезентативних за вјероватне процесе формирања језгре, тада би калијум могао да обезбеди додатну топлоту потребну да објасни зашто се унутрашње језгро Земље није смрзнуло онолико велике величине колико топлотна историја језгра наговештава. "
Јеанлоз је узбуђен чињеницом да теоријске калкулације сада не објашњавају само експерименталне налазе под високим притиском, већ предвиђају и структуре.
„Потребни су нам теоретичари да идентификујемо занимљиве проблеме, а не да само провере наше резултате након експеримента“, рекао је. "То се догађа сада. У последњих пола десетине теоретичари су предвиђали да ће експерименталисти бити спремни да потроше неколико година на демонстрације. "
Рад је финансиран од стране Националне фондације за науку и Одељења за енергетику.
Изворни извор: Университи оф Беркелеи Невс Релеасе
