• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Naturen
    Undersöka material vid djupa jordförhållanden för att tyda jordens evolutionära berättelse

    Forskare utvecklade en teknik som gör att de kan studera atomarrangemangen av flytande silikater vid de extrema förhållanden som finns i gränsen mellan kärnan och manteln. Detta kan leda till en bättre förståelse av jordens tidiga smälta dagar, som till och med kan sträcka sig till andra steniga planeter. Kredit:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

    Långt under jordens yta, ca 1, 800 miles djup, ligger ett böljande magmatiskt område inklämt mellan den fasta silikatbaserade manteln och den smälta järnrika kärnan:gränsen mellan kärnan och manteln. Det är en rest från gamla tider, urdagarna för cirka 4,5 miljarder år sedan när hela planeten smälte, ett oändligt hav av magma. Även om regionens extrema tryck och temperaturer gör det svårt att studera, den innehåller ledtrådar om den mystiska ursprungsberättelsen om världen som vi känner den.

    "Vi försöker fortfarande plocka ihop hur jorden faktiskt började bildas, hur den förvandlades från en smält planet till en med levande varelser som gick runt på sin silikatmantel och skorpa, " säger Arianna Gleason, en forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory. "Att lära oss om det konstiga sättet material beter sig under olika tryck kan ge oss några tips."

    Nu, forskare har utvecklat ett sätt att studera flytande silikater vid de extrema förhållanden som finns i gränsen mellan kärnan och manteln. Detta kan leda till en bättre förståelse av jordens tidiga smälta dagar, som till och med kan sträcka sig till andra steniga planeter. Forskningen leddes av forskarna Guillaume Morard och Alessandra Ravasio. Laget, som inkluderade Gleason och andra forskare från SLAC och Stanford University, publicerade sina resultat denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences .

    "Det finns egenskaper hos vätskor och glas, speciellt silikat smälter, som vi inte förstår, säger Morard, en vetenskapsman vid universitetet i Grenoble och universitetet i Sorbonne i Frankrike. "Problemet är att smälta material i sig är mer utmanande att studera. Genom våra experiment kunde vi undersöka geofysiska material vid de extremt höga temperaturerna och trycken på jordens djup för att tackla deras flytande struktur och lära oss hur de beter sig. I framtiden kommer vi att kunna använda dessa typer av experiment för att återskapa jordens första ögonblick och förstå de processer som formade den."

    Varmare än solen

    På SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenfri elektronlaser, forskarna skickade först en stötvåg genom ett silikatprov med en noggrant avstämd optisk laser. Detta tillät dem att nå tryck som efterliknar dem vid jordens mantel, 10 gånger högre än vad som tidigare uppnåtts med flytande silikater, och temperaturer så höga som 6, 000 Kelvin, något varmare än solens yta.

    Nästa, forskarna träffade provet med ultrasnabba röntgenlaserpulser från LCLS i det exakta ögonblicket som stötvågen nådde önskat tryck och temperatur. En del av röntgenstrålarna spreds sedan ut i en detektor och bildade ett diffraktionsmönster. Precis som varje person har sina egna fingeravtryck, den atomära strukturen hos material är ofta unik. Diffraktionsmönster avslöjar att materialets fingeravtryck, så att forskarna kan följa hur provets atomer ordnas om som svar på ökningen av tryck och temperatur under stötvågen. De jämförde sina resultat med de från tidigare experiment och molekylära simuleringar för att avslöja en gemensam evolutionär tidslinje för glas och flytande silikater vid högt tryck.

    "Det är spännande att kunna samla alla dessa olika tekniker och få liknande resultat, " säger SLAC-forskaren och medförfattaren Hae Ja Lee. "Detta tillåter oss att hitta ett kombinerat ramverk som är vettigt och ta ett steg framåt. Det är väldigt omfattande jämfört med andra studier."

    Förbinder det atomistiska till det planetariska

    I framtiden, LCLS-II-uppgraderingen, samt uppgraderingar av instrumentet Matter in Extreme Conditions (MEC) där denna forskning utfördes, kommer att tillåta forskare att återskapa de extrema förhållanden som finns i den inre och yttre kärnan för att lära sig om hur järn beter sig och vilken roll det spelar för att generera och forma jordens magnetfält.

    För att följa upp denna studie, forskarna planerar att utföra experiment med högre röntgenenergier för att göra mer exakta mätningar av atomarrangemanget av flytande silikater. De hoppas också kunna nå högre temperaturer och tryck för att få insikt i hur dessa processer utspelar sig på planeter större än jorden, så kallade superjordar eller exoplaneter, och hur storleken och placeringen av en planet påverkar dess sammansättning.

    "Denna forskning tillåter oss att koppla det atomistiska till det planetariska, " säger Gleason. "Från och med denna månad, fler än 4, 000 exoplaneter har upptäckts, cirka 55 av dem är placerade i den beboeliga zonen av sina stjärnor där det är möjligt för flytande vatten att existera. Några av dessa har utvecklats till en punkt där vi tror att det finns en metallisk kärna som kan generera magnetiska fält, som skyddar planeter från stjärnvindar och kosmisk strålning. Det finns så många bitar som måste falla på plats för att livet ska bildas och upprätthållas. Att göra de viktiga mätningarna för att bättre förstå konstruktionen av dessa planeter är avgörande i denna tidsålder av upptäckter."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com