Η καρδιά της Γης είναι παγωμένη κι όμως ρέει

Σούρουπο στη Νορβηγία, από τη σελίδα Earth.

Μελετώντας τον ενδιάμεσο άνθρακα σε κράμα σιδήρου-άνθρακα σε συνθήκες πίεσης-θερμοκρασίας παρόμοιες με τον πυρήνα της Γης, Κινέζοι ερευνητές αποκαλύπτουν ένα υπεριοντικό, υγρό κράμα σιδήρου στο κέντρο του πλανήτη.

Κάτω από τον λιωμένο εξωτερικό πυρήνα της Γης βρίσκεται μια συμπαγής καρδιά - ο εσωτερικός πυρήνας , μια σφαίρα από κράμα σιδήρου-ελαφρού στοιχείου συμπιεσμένη κάτω από περισσότερες από 3,3 εκατομμύρια ατμόσφαιρες και θερμαινόμενη σε θερμοκρασίες που ανταγωνίζονται την επιφάνεια του Ήλιου. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προβληματίζονταν για την παράξενη συμπεριφορά του: αν και συμπαγές, συμπεριφέρεται σαν μαλακό μέταλλο, επιβραδύνοντας τα σεισμικά κύματα διάτμησης και παρουσιάζοντας έναν λόγο Poisson που μοιάζει περισσότερο με βούτυρο παρά με χάλυβα. Πώς θα μπορούσε το στερεό κέντρο του πλανήτη να είναι ταυτόχρονα άκαμπτο και μαλακό;

Η ατομική συμπεριφορά του σιδήρου και των ελαφρών στοιχείων στον εσωτερικό πυρήνα της Γης. Τα άτομα σιδήρου σχηματίζουν μια άκαμπτη εξαγωνική δομή κλειστού τύπου (hcp), με ένα υποσύνολο αυτών των ατόμων να εμφανίζουν συλλογική κίνηση κατά μήκος των κατευθύνσεων [100] και [010]. Μέσα σε αυτό το πλέγμα σιδήρου hcp, τα ενδιάμεσα φωτεινά στοιχεία διαχέονται ελεύθερα με τρόπο που μοιάζει με υγρό, ενώ τα υποκαταστατικά φωτεινά στοιχεία παραμένουν περιορισμένα στις αντίστοιχες θέσεις υποκαταστατικού πλέγματος. Συνεπώς, ο εσωτερικός πυρήνας της Γης υπάρχει σε μια υβριδική κατάσταση στερεάς και υγρής συμπεριφοράς.Από: Huang et al.

Μια ιστορική μελέτη που δημοσιεύτηκε στο National Science Review προσφέρει τώρα μια συναρπαστική απάντηση. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ο εσωτερικός πυρήνας της Γης δεν είναι καθόλου ένα τυπικό στερεό-  υπάρχει σε μια υπεριοντική κατάσταση, όπου τα ελαφρά στοιχεία ρέουν σαν υγρό μέσα από ένα στερεό σιδερένιο πλέγμα. Αυτή η ανακάλυψη επαναπροσδιορίζει την κατανόησή μας για το βαθύτερο εσωτερικό του πλανήτη.

Η μελέτη, με επικεφαλής τους καθηγητές Youjun Zhang και Dr. Yuqian Huang από το Πανεπιστήμιο Sichuan, μαζί με τον καθηγητή Yu He από το Ινστιτούτο Γεωχημείας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, δείχνει ότι υπό ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες, τα κράματα σιδήρου-άνθρακα μετατρέπονται σε υπεριοντική φάση. Σε αυτή την κατάσταση, τα άτομα άνθρακα κινούνται γρήγορα μέσα από την κρυσταλλική δομή του στερεού σιδήρου, μαλακώνοντάς τον δραματικά.

«Για πρώτη φορά, δείξαμε πειραματικά ότι το κράμα σιδήρου-άνθρακα υπό συνθήκες εσωτερικού πυρήνα παρουσιάζει αξιοσημείωτα χαμηλή ταχύτητα διάτμησης», δήλωσε ο καθηγητής Zhang. «Σε αυτήν την κατάσταση, τα άτομα άνθρακα γίνονται ιδιαίτερα κινητά, διαχέονται μέσα στο κρυσταλλικό πλαίσιο του σιδήρου σαν παιδιά που υφαίνονται μέσα σε έναν τετράγωνο χορό, ενώ ο ίδιος ο σίδηρος παραμένει συμπαγής και οργανωμένος. Αυτή η λεγόμενη «υπεριοντική φάση» μειώνει δραματικά την ακαμψία του κράματος.

Από τη θεωρία στο πείραμα

Ενώ τα υπολογιστικά μοντέλα είχαν υπονοήσει μια τέτοια κατάσταση το 2022, η άμεση πειραματική απόδειξη παρέμεινε ασαφής - μέχρι τώρα. Χρησιμοποιώντας μια δυναμική πλατφόρμα συμπίεσης κραδασμών, η ομάδα επιτάχυνε δείγματα σιδήρου-άνθρακα σε ταχύτητες 7 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο, δημιουργώντας πιέσεις έως και 140 γιγαπασκάλ και θερμοκρασίες κοντά στους 2600 Κέλβιν - συνθήκες παρόμοιες με εκείνες στον εσωτερικό πυρήνα.

Συνδυάζοντας μετρήσεις ταχύτητας ήχου επί τόπου με προηγμένες προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, οι επιστήμονες παρατήρησαν μια απότομη πτώση στην ταχύτητα του κύματος διάτμησης και μια αύξηση στον λόγο Poisson - που ταιριάζει με τα «μαλακά» σεισμικά σήματα που ανιχνεύθηκαν βαθιά μέσα στη Γη. Σε ατομική κλίμακα, τα αποτελέσματα αποκάλυψαν άτομα άνθρακα που γλιστρούσαν ελεύθερα μέσα στο πλέγμα σιδήρου, αποδυναμώνοντας την ακαμψία του χωρίς να καταστρέφουν τη δομή του.

Ένας δυναμικός πυρήνας με παγκόσμιο αντίκτυπο

Το υπεριοντικό μοντέλο όχι μόνο εξηγεί τις αινιγματικές σεισμικές ιδιότητες του πυρήνα, αλλά ανοίγει και νέες προοπτικές για την εσωτερική δυναμική της Γης. Η κίνηση των φωτεινών στοιχείων θα μπορούσε να βοηθήσει στην ερμηνεία της σεισμικής ανισοτροπίας - των διακυμάνσεων στις ταχύτητες των κυμάτων ανάλογα με την κατεύθυνση - και μπορεί ακόμη και να επηρεάσει το μαγνητικό πεδίο της Γης .

«Η ατομική διάχυση εντός του εσωτερικού πυρήνα αντιπροσωπεύει μια προηγουμένως παραβλεπόμενη πηγή ενέργειας για το γεωδυναμό», δήλωσε ο Δρ. Huang. «Εκτός από τη θερμότητα και τη συνθετική συναγωγή, η ρευστοειδής κίνηση των φωτεινών στοιχείων μπορεί να βοηθήσει στην τροφοδοσία της μαγνητικής μηχανής της Γης».

Τα ευρήματα διευθετούν επίσης μακροχρόνιες συζητήσεις σχετικά με το πώς συμπεριφέρονται τα ελαφρά στοιχεία υπό ακραίες πιέσεις. Προηγούμενες μελέτες επικεντρώθηκαν σε ενώσεις ή υποκατάστατα κράματα, αλλά αυτή η έρευνα υπογραμμίζει τη σημασία των ενδιάμεσων στερεών διαλυμάτων - ειδικά εκείνων που περιλαμβάνουν άνθρακα - στον προσδιορισμό των ιδιοτήτων του πυρήνα.

Επανεξετάζοντας την καρδιά του πλανήτη

Σύμφωνα με τον καθηγητή Ζανγκ, η ανακάλυψη σηματοδοτεί μια μετατόπιση στον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες βλέπουν το κέντρο της Γης. «Απομακρυνόμαστε από ένα στατικό, άκαμπτο μοντέλο του εσωτερικού πυρήνα προς ένα δυναμικό », εξήγησε.

Πέρα από τη Γη, η ανακάλυψη μιας υπεριοντικής φάσης θα μπορούσε επίσης να ρίξει φως στη μαγνητική και θερμική εξέλιξη άλλων βραχωδών πλανητών και εξωπλανητών. Όπως σημειώνει ο Ζανγκ:«Η κατανόηση αυτής της κρυφής κατάστασης της ύλης μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στο να ξεκλειδώσουμε τα μυστικά των εσωτερικών χώρων των πλανητών που μοιάζουν με τη Γη».

Αυτή η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας, το Πρόγραμμα Επιστήμης και Τεχνολογίας του Σιτσουάν και τη Διεπιστημονική Ομάδα Νέων του CAS.

Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα eurekalert

περισσότερα,

Experimental evidence for superionic Fe–C alloy revealed by shear softening in Earth’s inner core Open Access-Yuqian Huang, Yu He, Youjun Zhang, Jun Li, Long Hao, Bo Gan, Gang Jiang, Qiang Wu, Ho-kwang Mao

https://academic.oup.com/nsr/article/12/11/nwaf419/8266537

https://www.eurekalert.org/news-releases/1105875

Science China Press