Temperaturen är svår att mäta, speciellt vid stötkompressionsexperiment. En stor utmaning är att ta hänsyn till termisk transport – energiflödet i form av värme.

För att bättre förstå denna utmaning, forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har tagit viktiga steg för att visa att värmeledning är viktig och mätbar vid höga tryck och temperaturförhållanden i dessa typer av experiment, enligt en tidning som nyligen publicerats i Journal of Applied Physics . Tidningens författare är David Brantley, Ryan Crum och Minta Akin.

"Vi behöver bättre temperaturmätningar eftersom att förstå steniga planetmaterials höga temperatur- och tryckbeteende är nyckeln till att utveckla bättre modeller av jorden och andra terrestra exoplaneter, sa David Brantley, LLNL fysiker och huvudförfattare till tidningen.

Brantley sa att beroende på hur järn leder värme vid jordens kärntryck och temperaturer, planetens fasta inre kärna kan vara omkring 500 miljoner till flera miljarder år gammal.

"Stora osäkerheter i järnets uppmätta temperaturer vid jordens kärnförhållanden gör det svårt att begränsa planetens temperaturprofil exakt, " sade han. "Dessa osäkerheter har inte tagits med i tidigare temperaturmätningar, och vi fann att de kan påverka tidigare resultat avsevärt."

För att beskriva något material, forskare behöver statsekvationen, som kan beskrivas på många sätt, men det vanligaste är tryck, volym och temperatur.

"Experimentellt bestämda och väl begränsade tillståndsekvationer är avgörande för prediktiv förmåga och osäkerhetskvantifiering av beräkningar från hydrokoder, ", sa Brantley. "Genom att tillhandahålla realistiska osäkerheter för uppmätta chocktemperaturer, vi ger ett bättre grepp om den inneboende osäkerheten i våra statsekvationer."

Brantley sa att teamet kvantifierade de största källorna till chocktemperaturosäkerhet och gav en tydlig väg framåt för att avsevärt minska den totala temperaturosäkerheten.

"Som en gemenskap, vi har blivit ganska bra på att mäta tryck och volym—temperatur, inte så mycket, vilket lämnar oss med en ofullständig tillståndsekvation. Tillståndsekvationer används i modeller, men om de är ofullständiga, modellen kommer att vara det också."

På grund av de korta tidsskalorna för experiment med stötkompression, som varar mindre än 1 miljondels sekund, temperaturen mäts vanligtvis genom att samla upp ljuset som emitteras från det varma provet via optisk pyrometri. För ogenomskinliga material som järn, ljus samlas endast från provets yta. På samma sätt som en grytas handtag är kallare än kokytan, provets yta är vanligtvis kallare än insidan. Dock, den inre eller bulktemperaturen behövs för tillståndsekvationen. Den största källan till osäkerhet i chocktemperaturmätningar kommer från slutsatsen av den inre temperaturen från ljuset som emitteras från ytan.

Skillnaden mellan yt- och bulktemperatur beror på hur väl värme leder genom provet, såsom värmeledningsförmåga. Osäkerheten i chocktemperaturmätningen med pyrometri beror på osäkerheten i provets värmeledningsförmåga vid experimentella högtrycks- och temperaturförhållanden, bland annat. Förbättrad precision vid mätningar av värmeledningsförmåga vid hög temperatur och tryck förbättrar likaså precisionen i mätningen av stöttemperaturen.

Vid tryck och temperaturer under jordens inre gräns, stöttemperaturmätningar ger en viktig korskontroll mot andra metoder. De tryck och temperaturer som kan uppnås i chockexperiment går långt utöver intervallet för andra metoder, och chockexperiment ger för närvarande det enda tillförlitliga sättet att uppnå tryck och temperaturer som liknar det inre av superjord- och gasgigantiska planeter.

Forskargruppen utför arbete i fyra experiment

För att kunna bedriva arbetet, forskare utförde fyra experiment utformade för att binda värmeledning på den typiska tidsskalan för stötkompressionsexperiment.

Teamet tog två plåt- och två järnprover, sputter belagd till en tjocklek av 5 mikrometer på litiumfluorid (LiF) fönster, som sedan placerades i kontakt med cirka 2 millimeter tjocka järnbottenplattor. Basplattan fungerade som kylfläns för de hetare plåtproverna. Eftersom bottenplattan var mycket kallare än tenn, tenntemperaturen borde ha sjunkit, som observerades i experimenten. Järnprovets temperaturer matchade ungefär basplattans temperatur för järnprovsexperimenten, så järntemperaturen förväntades komma i jämvikt.

Simuleringar visade att järnbasplattans temperatur kan ha varit varmare än förväntat närmast provet. Eftersom järn leder värme mindre lätt än tenn, temperaturförändringen förväntades inte observeras (vid gränsytan) förrän långt senare i experimentet. Eftersom denna temperaturförändring inte observerades, det etablerade en övre gräns för järnets värmeledningsförmåga.

De fyra målenheterna chockades i serie till experimentella förhållanden med kopparplåtslagstiftare vid LLNL:s JASPER lätta gaspistolanläggning. Optisk pyrometri med hög precision användes för att bestämma temperaturer för prov-fönstergränssnitt, och Photon Doppler Velocimetri (PDV) användes för att bekräfta tryck tillsammans med hydrodynamiska simuleringar.

LiF-fönstren tjänade till att upprätthålla höga tryck- och temperaturförhållanden och tillhandahåller ett transparent medium för att samla upp ljus från provytan. Tenn valdes eftersom det är mycket varmare än järnprover vid liknande nedringningstryck i LiF-fönstret.

"LiF-temperaturen är inte välkänd, så genom att chocka tenn- och järnmål till liknande tryck i LiF-fönstret, vi får jämförbara fönstertemperaturer för de olika målen, sa Brantley.

Järnbottenplattan fungerade som kylfläns för de hetare plåtproverna, som var tillräckligt tunna för att möjliggöra betydande diffusiv termisk transport. Järnproverna tjänade som en baslinjetemperaturhistoria för att testa för jämvikt mellan de observerade tennprovtemperaturerna.

Fynden är tvåfaldiga

Brantley sa att två stora fynd rapporterades i arbetet. Först, en jämförelse av den observerade tenngränsytans temperatur med järngränssnittstemperaturen nära jämvikt gjorde att teamet kunde begränsa den karakteristiska tidsskalan för termisk avslappning.

"Denna observation öppnar möjligheten för en ny typ av experimentell plattform för att bestämma provets termiska transportparametrar i stötkompressionsexperiment med hjälp av provets relativa temperaturtidshistoria, "Brantley sa. "En sådan plattformsdesign kan användas vid vilken dynamisk kompressionsanläggning som helst som kan ta emot flera pyrometrisystem."

Det andra stora fyndet var vikten av att begränsa systematik för att få exakta temperaturresultat. Systematiska effekter visade sig variera i riktning med en magnitud lika med eller större än experimentell osäkerhet. Vidare, denna systematik var modellberoende, vilket innebär att bara modellvalet kan påverka bulktemperaturen. Det är mycket viktigt att de slutliga temperaturresultaten korrigeras för de mest betydande systematiska bidragen, forskningen visade.