Naukowcy z ETH Zurich wykazali w laboratorium, jak dobrze przewodzi ciepło zwykły metal na granicy jądra Ziemi i płaszcza. To prowadzi ich do podejrzeń, że ciepło Ziemi może rozpraszać się wcześniej niż wcześniej sądzono.
Ewolucja naszej planety to opowieść o chłodzie: 4,5 miliarda lat temu na powierzchni młodej Ziemi panowały ekstremalne temperatury i była pokryta głębokim oceanem magmy. Przez miliony lat powierzchnia planety ochładzała się, tworząc kruchą skorupę. Jednak ogromna energia cieplna emanująca z wnętrza Ziemi napędza dynamiczne procesy, takie jak konwekcja w płaszczu, tektonika płyt i wulkanizm.
Jednak pytania dotyczące tego, jak szybko Ziemia się ochłodzi i jak długo może zająć to ciągłe chłodzenie, aby zatrzymać powyższe procesy termiczne, pozostają bez odpowiedzi.
Jedną z możliwych odpowiedzi może być przewodność cieplna minerałów tworzących granicę między jądrem Ziemi a płaszczem.
Ta warstwa graniczna jest istotna, ponieważ to tutaj lepkie skały płaszcza Ziemi mają bezpośredni kontakt z gorącym topnieniem żelaza i niklu w zewnętrznym jądrze planety. Gradient temperatury między dwiema warstwami jest dość stromy, więc prawdopodobnie będzie tu przepływać dużo ciepła. Warstwa przyścienna składa się głównie z mineralnego mostka. Jednak naukowcy mają trudności z oszacowaniem, ile ciepła ten minerał przechodzi z jądra Ziemi do płaszcza, ponieważ weryfikacja eksperymentalna jest tak trudna.
Teraz profesor Motohiko Murakami z ETH wraz z kolegami z Carnegie Institution for Science opracowali zaawansowany system pomiarowy, który umożliwia im pomiar przewodności cieplnej bridgemanitu w laboratorium, w warunkach ciśnienia i temperatury panujących wewnątrz Ziemi. Do pomiarów wykorzystali nowo opracowany system pomiaru absorbancji optycznej w zespole diamentowym podgrzewanym impulsowo laserowo.
Urządzenie pomiarowe do określania przewodności cieplnej mostka pod wysokim ciśnieniem i w temperaturze maksymalnej. Źródło: Murakami M i inni, 2021
„Ten system pomiarowy pozwala nam wykazać, że przewodnictwo cieplne bridgemanitu jest około 1,5 raza wyższe niż zakładano” – mówi Murakami. Wskazuje to, że strumień ciepła z jądra do płaszcza jest również wyższy niż wcześniej sądzono. Większy przepływ ciepła z kolei zwiększa konwekcję w płaszczu i przyspiesza chłodzenie Ziemi. Może to spowodować, że ruch tektoniki płyt, który jest podtrzymywany przez ruchy konwekcyjne w płaszczu, spowolni szybciej, niż oczekiwali naukowcy na podstawie wcześniejszych wartości przewodnictwa cieplnego.
Murakami i współpracownicy wykazali również, że szybkie ochłodzenie płaszcza zmieni stabilne fazy mineralne na granicy rdzeń-płaszcz. Bridgemanit po ostygnięciu zamienia się w mineralny postperowskit. Naukowcy szacują, że gdy postperowskit pojawi się na granicy jądra i płaszcza i zacznie dominować, chłodzenie płaszcza może faktycznie przyspieszyć, ponieważ minerał ten przewodzi ciepło wydajniej niż mostmanit.
„Nasze wyniki mogą dać nam nowe spojrzenie na ewolucję dynamiki Ziemi. Sugerują, że Ziemia, podobnie jak inne skaliste planety Merkury i MarsChłodzi i staje się obojętny znacznie szybciej niż oczekiwano” – wyjaśnia Murakami.
Nie potrafi jednak powiedzieć, ile czasu zajęłoby, na przykład, zatrzymanie się prądów konwekcyjnych w płaszczu. „Wciąż nie wiemy wystarczająco dużo o tego typu wydarzeniach, aby określić ich czas”. Aby to zrobić, najpierw trzeba lepiej zrozumieć, jak działa konwekcja w płaszczu czasu i przestrzeni. Ponadto naukowcy muszą wyjaśnić, w jaki sposób rozpad pierwiastków promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi – jednego z głównych źródeł ciepła – wpływa na dynamikę płaszcza.
Odniesienie: „Promienistyczna przewodność cieplna monokrystalicznego mostka manitu na granicy rdzeń-płaszcz z implikacjami dla ewolucji termicznej Ziemi” autorstwa Motohiko Murakami, Alexandra F. Goncharova, Nobuyoshi Miyajima, Daisuke Yamazaki i Nicholasa Holtgrove, 8 grudnia 2021 r., Listy do nauki o Ziemi i planetarnej.
DOI: 10.1016 / j.epsl.2021.117329
„Introwertyk. Myśliciel. Rozwiązuje problemy. Specjalista od złego piwa. Skłonny do apatii. Ekspert od mediów społecznościowych. Wielokrotnie nagradzany fanatyk jedzenia.”
