Tysiące kilometrów pod powierzchnią Ziemi, pod wpływem ekstremalnych ciśnień i temperatur, znajduje się jądro planety. Rdzeń wewnętrzny składa się z litej kuli niklowo-żelaznej, która obraca się powierzchownie wewnątrz jądra zewnętrznego, gdzie żelazo i nikiel są płynne.
Warunki tego zewnętrznego jądra zostały teraz odtworzone w laboratorium przez zespół kierowany przez fizyka Sebastiana Merkela z Uniwersytetu w Lille we Francji – w taki sposób, że naukowcy byli w stanie zaobserwować deformację strukturalną żelaza.
Ma to nie tylko konsekwencje dla zrozumienia naszej planety, ale może pomóc nam lepiej zrozumieć, co się dzieje, gdy kawałki żelaza zderzają się w kosmosie.
„Nie stworzyliśmy merytorycznych warunków całkowicie wewnętrznie” Fizyk Arianna Gleeson powiedziała: Z Narodowego Laboratorium Akceleratora SLAC Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. „Ale osiągnęliśmy warunki w zewnętrznym jądrze planety, co jest naprawdę fajne”.
W normalnych warunkach ziemskich struktura krystaliczna żelaza to A krata sześcienna. Atomy są ułożone w siatkę, z atomami w rogu każdego sześcianu i jednym w środku. Kiedy żelazo jest ściskane pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem, ta siatka zmienia kształt i odkształca się do struktura sześciokątna. Pozwala to na upakowanie większej liczby atomów w tej samej objętości przestrzeni.
Ale trudno powiedzieć, co się dzieje nawet przy wyższych ciśnieniach i temperaturach – takich jak w jądrze Ziemi. Jednak w ostatnich latach technologia laserowa posunęła się do punktu, w którym w środowiskach laboratoryjnych małe próbki mogą być wystawione na ekstremalne warunki, takie jak ciśnienia i temperatury występujące w białych karłach.
Zespół SLAC rozmieścił dwa lasery. Pierwszym z nich jest laser optyczny, który wystrzeliwuje mikroskopijną próbkę żelaza i zadaje jej wstrząs, który wytwarza ekstremalne ciśnienie i ciepło.
Ciśnienie w zewnętrznym jądrze Ziemi waha się od 135 do 330 gigapaskali (1,3 do 3,3 miliona atmosfer), a temperatury od 4000 do 5000 K (3727 do 4727 °C lub 6740 do 8540 °F). Ciśnienie i temperatury do 4070 K .
Następną częścią, prawdopodobnie najtrudniejszą, było zmierzenie struktury atomowej żelaza podczas tego procesu. W tym celu zespół wykorzystał niezawierający promieni rentgenowskich laser Linac Coherent Light Source (LCLS), który badał próbkę podczas wystrzeliwania światła laserowego.
„Udało nam się dokonać pomiaru w jednej miliardowej sekundy” Gleeson powiedział. „Zamrażanie atomów w miejscu, w którym się znajdują, w ciągu tych nanosekund jest naprawdę ekscytujące”.
Uzyskane obrazy, pogrupowane w sekwencję, wykazały, że żelazo reaguje na dodatkowy stres spowodowany tymi warunkami poprzez bliźniactwo. Dzieje się tak, gdy sieć krystaliczna staje się tak zwarta, że niektóre punkty sieci są współdzielone przez wiele kryształów w sposób symetryczny.
(S. Merkel / Uniwersytet w Lille, Francja)
W przypadku żelaza w warunkach jądra zewnętrznej ziemi oznacza to, że układ atomowy jest popychany tak, że sześciokąty obracają się o około 90 stopni. Ten mechanizm pozwala metalowi oprzeć się końcówkom, twierdzą naukowcy.
„Twinning pozwala żelazu być niesamowicie mocnym – silniejszym niż początkowo sądziliśmy – zanim zacznie płynąć plastycznie w znacznie dłuższych skalach czasowych” Gleeson powiedział.
Teraz, gdy wiemy, jak zachowuje się żelazo w tych warunkach, informacje te można wykorzystać w modelach i symulacjach. Ma to na przykład ważne implikacje dla sposobu, w jaki rozumiemy kolizję kosmiczną. Jądro Ziemi leży schludnie na planecie, ale istnieją asteroidy tak metaliczne, że uważamy, że są odsłoniętymi, nagimi jądrami planet, które zakłócają ich powstawanie.
Obiekty te mogą zderzać się z innymi obiektami, które mogą deformować w nich żelazną strukturę. Teraz mamy lepsze wyobrażenie o tym, jak to się dzieje. I oczywiście wiemy teraz więcej o naszej planecie.
„Przyszłość jest teraz świetlana, gdy opracowaliśmy sposób na wykonanie tych pomiarów” Gleeson powiedział.
„Teraz możemy złożyć kciuki w górę i w górę za kilka naprawdę podstawowych fizycznych modeli mechanizmów deformacji. To pomaga zbudować część mocy predykcyjnej, której brakuje nam do modelowania reakcji materiałów w ekstremalnych warunkach”.
Wyszukiwanie zostało opublikowane w fizyczne wiadomości przeglądowe.
„Introwertyk. Myśliciel. Rozwiązuje problemy. Specjalista od złego piwa. Skłonny do apatii. Ekspert od mediów społecznościowych. Wielokrotnie nagradzany fanatyk jedzenia.”
