Naukowcy z ETH Zurich zademonstrowali w laboratorium, jak dobrze przewodzi ciepło minerał powszechnie występujący na granicy jądra Ziemi i płaszcza. To prowadzi do podejrzeń, że ciepło Ziemi może rozproszyć się wcześniej niż sądzono.

Urządzenie pomiarowe do oznaczania przewodności cieplnej bridgmanitu pod wysokim ciśnieniem i w ekstremalnej temperaturze. Źródło: Murakami M et al, DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117329

Ewolucja naszej Ziemi to historia jej ochłodzenia: 4,5 miliarda lat temu na powierzchni młodej Ziemi panowały ekstremalne temperatury, a pokrył ją głęboki ocean magmy. Przez miliony lat powierzchnia planety ochładzała się, tworząc kruchą skorupę. Jednak ogromna energia cieplna emanująca z wnętrza Ziemi wprawia w ruch dynamiczne procesy, takie jak konwekcja płaszcza, tektonika płyt i wulkanizm.

Wciąż jednak bez odpowiedzi pozostają pytania o to, jak szybko Ziemia się ochłodziła i jak długo może potrwać, zanim to ciągłe chłodzenie zatrzyma wspomniane procesy napędzane ciepłem.

Jedną z możliwych odpowiedzi może być przewodność cieplna minerałów, które tworzą granicę między jądrem Ziemi a płaszczem.

Ta warstwa graniczna jest istotna, ponieważ to tutaj lepka skała płaszcza Ziemi jest w bezpośrednim kontakcie z gorącym topnieniem żelaza i niklu zewnętrznego jądra planety. Gradient temperatury między dwiema warstwami jest bardzo stromy, więc potencjalnie płynie tu dużo ciepła. Warstwa graniczna składa się głównie z mineralnego bridgmanitu. Jednak naukowcy mają trudności z oszacowaniem, ile ciepła ten minerał przewodzi z jądra Ziemi do płaszcza, ponieważ weryfikacja eksperymentalna jest bardzo trudna.

Teraz profesor ETH Motohiko Murakami i jego koledzy z Carnegie Institution for Science opracowali wyrafinowany system pomiarowy, który umożliwia im pomiar przewodności cieplnej bridgmanitu w laboratorium, w warunkach ciśnienia i temperatury panujących wewnątrz Ziemi. Do pomiarów wykorzystali niedawno opracowany optyczny system pomiaru absorpcji w jednostce diamentowej ogrzewanej laserem pulsacyjnym.

„Ten system pomiarowy pozwolił nam wykazać, że przewodność cieplna bridgmanitu jest około 1,5 razy wyższa niż zakładano” – mówi Murakami. Sugeruje to, że przepływ ciepła z rdzenia do płaszcza jest również wyższy niż wcześniej sądzono. Większy przepływ ciepła z kolei zwiększa konwekcję płaszcza i przyspiesza ochłodzenie Ziemi. Może to spowodować, że tektonika płyt, która jest utrzymywana przez ruchy konwekcyjne płaszcza, zwalnia szybciej niż naukowcy oczekiwali na podstawie wcześniejszych wartości przewodzenia ciepła.

Murakami i jego koledzy wykazali również, że szybkie ochłodzenie płaszcza zmieni stabilne fazy mineralne na granicy rdzenia-płaszcza. Kiedy ostygnie, bridgmanit zamienia się w mineralny postperowskit. Ale gdy tylko postperowskit pojawi się na granicy rdzenia-płaszcza i zacznie dominować, chłodzenie płaszcza może rzeczywiście przyspieszyć jeszcze bardziej, szacują naukowcy, ponieważ ten minerał przewodzi ciepło jeszcze skuteczniej niż bridgmanit.

„Nasze wyniki mogą dać nam nowe spojrzenie na ewolucję dynamiki Ziemi. Sugerują one, że Ziemia, podobnie jak inne skaliste planety Merkury i Mars, ochładza się i staje się nieaktywna znacznie szybciej niż oczekiwano” wyjaśnia Murakami.

Nie może jednak powiedzieć, ile czasu zajmie na przykład zatrzymanie prądów konwekcyjnych w płaszczu. „Nadal nie wiemy wystarczająco dużo o tego rodzaju wydarzeniach, aby określić ich czas”. Wymaga to najpierw lepszego zrozumienia, jak działa konwekcja płaszcza w kategoriach przestrzennych i czasowych. Co więcej, naukowcy muszą wyjaśnić, w jaki sposób rozpad pierwiastków radioaktywnych we wnętrzu Ziemi – jednym z głównych źródeł ciepła – wpływa na dynamikę płaszcza.

 

*** Więcej artykułów po zalogowaniu ***

 

Źródło: Phys.org
0 0 votes
Article Rating