Odkrycie szybkiego „ruchu masowego” atomów żelaza w stałym jądrze wewnętrznym Ziemi

Nowe badania wykazały szybki „ruch masowy” atomów żelaza w wewnętrznym jądrze Ziemi. Ruch ten może wyjaśniać nieoczekiwanie słaby rdzeń w danych sejsmicznych i ma wpływ na zrozumienie wytwarzania pola magnetycznego Ziemi.

Atomy żelaza tworzące stałe jądro wewnętrzne Ziemi są ściśle upakowane pod wpływem astronomicznie wysokiego ciśnienia – najwyższego na planecie.

Jednak nawet tutaj naukowcy odkryli, że istnieje pole do manewru.

Badanie przeprowadzone przez Uniwersytet Teksasu w Austin i współpracowników w Chinach wykazało, że pewne grupy atomów żelaza w wewnętrznym jądrze Ziemi są w stanie szybko się poruszać, zmieniając miejsca w ułamku sekundy, zachowując przy tym podstawową metaliczną strukturę żelaza. Rodzaj ruchu nazywany „ruchem masowym”, który przypomina zmianę miejsc przy stole przez gości obiadu.

Model atomów żelaza poruszających się w wewnętrznym jądrze Ziemi. Model pokazuje, jak atomy żelaza w wewnętrznym jądrze Ziemi powinny poruszać się w ciągu 10 pikosekund. Jedna pikosekunda to jedna bilionowa sekundy. Źródło: Zhang i in.

Skutki pola magnetycznego Ziemi

Wyniki uzyskane w drodze eksperymentów laboratoryjnych i modeli teoretycznych wskazują, że atomy w jądrze wewnętrznym poruszają się znacznie częściej, niż wcześniej sądzono.

Wyniki mogą pomóc w wyjaśnieniu kilku interesujących właściwości jądra wewnętrznego, które od dawna intrygują naukowców. Mogą także pomóc rzucić światło na rolę, jaką jądro wewnętrzne odgrywa w zasilaniu ziemskiego geodynama – nieuchwytnego procesu generującego pole magnetyczne planety.

„Teraz znamy podstawowy mechanizm, który pomoże nam zrozumieć procesy dynamiczne i ewolucję wewnętrznego jądra Ziemi” – powiedział Jong-Fu Lin, profesor w UT Jackson School of Geosciences i jeden z głównych autorów badania.

Badanie opublikowano 2 października w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.

Klip z modelu naukowego pokazujący, jak atomy żelaza w wewnętrznym jądrze Ziemi powinny poruszać się w ciągu 10 pikosekund. Linie reprezentują ścieżkę kukurydza To także przesuwa się w czasie. Model opiera się na algorytmie sztucznej inteligencji, który reprezentuje dziesiątki tysięcy atomów. Jedna pikosekunda to jedna bilionowa sekundy. Źródło: Zhang i in.

Metody i wyniki

Naukowcy nie mają możliwości pobrania bezpośrednich próbek z wewnętrznego jądra Ziemi ze względu na niezwykle wysokie temperatury i ciśnienia. Zatem Lin i jego współpracownicy odtworzyli go w miniaturze w laboratorium, biorąc małą żelazną płytkę i wystrzeliwując ją szybko poruszającym się pociskiem. Dane dotyczące temperatury, ciśnienia i prędkości zebrane podczas eksperymentu zostały następnie wprowadzone do komputerowego modelu atomów w jądrze wewnętrznym opartego na uczeniu maszynowym.

Naukowcy uważają, że atomy żelaza w jądrze wewnętrznym są ułożone w powtarzającą się konfigurację sześciokątną. Według Lin większość modeli komputerowych przedstawiających dynamikę sieci żelaza w jądrze wewnętrznym pokazuje tylko niewielką liczbę atomów, zwykle mniej niż sto. Jednak korzystając z algorytmu sztucznej inteligencji, badacze byli w stanie znacznie ulepszyć środowisko atomowe, tworząc „superkomórkę” złożoną z około 30 000 atomów, aby z większą wiarygodnością przewidywać właściwości żelaza.

W tej skali superkomórek naukowcy zaobserwowali poruszające się i zmieniające miejsca grupy atomów, zachowując jednocześnie ogólną strukturę sześciokątną.

Współautor Jong Fu „Avo” Lin przedstawia model atomów żelaza ułożonych w sześciokątną strukturę, która prawdopodobnie występuje w wewnętrznym jądrze Ziemi. Źródło: Jong-Fu Lin/UT Jackson College of Geosciences

Ruch atomowy wyjaśnia pomiary sejsmiczne

Naukowcy twierdzą, że ruch atomów może wyjaśnić, dlaczego pomiary sejsmiczne jądra wewnętrznego wskazują na bardziej miękkie i elastyczne środowisko, niż można by się spodziewać przy takich ciśnieniach, powiedział współautor Yujun Zhang, profesor na Uniwersytecie w Syczuanie.

„Sejsmolodzy odkryli, że środek Ziemi, zwany jądrem wewnętrznym, jest zaskakująco gładki, trochę jak miękkie masło w kuchni” – powiedział. „Naszym wielkim odkryciem jest to, że stałe żelazo staje się zaskakująco miękkie głęboko pod ziemią, ponieważ jego atomy mogą poruszać się znacznie bardziej, niż kiedykolwiek sobie wyobrażaliśmy. Ten wzmożony ruch sprawia, że ​​wewnętrzny rdzeń jest mniej sztywny i słabszy w obliczu sił ścinających.

Naukowcy stwierdzili, że motywacją do ich badań było poszukiwanie odpowiedzi na „zaskakująco gładkie” właściwości fizyczne odzwierciedlone w danych sejsmicznych.

Rola w energii geodynamo Ziemi

Według naukowców około połowę energii geodynama generującej pole magnetyczne Ziemi można przypisać jądru wewnętrznemu, podczas gdy resztę stanowi rdzeń zewnętrzny. Nowy wgląd w aktywność jądra wewnętrznego na poziomie atomowym może pomóc w przyszłych badaniach nad wytwarzaniem energii i ciepła w jądrze wewnętrznym, ich powiązaniem z dynamiką jądra zewnętrznego oraz ich współpracą w celu wygenerowania pola magnetycznego planety. Jest to kluczowy składnik planety nadającej się do zamieszkania.

Odniesienie: „Ruch zbiorowy w hcp-Fe w warunkach wewnętrznego jądra Ziemi” autorstwa Youjun Zhang, Yong Wang, Yuqian Huang, Junjie Wang, Zhixin Liang, Long Hao, Zhipeng Gao, Jun Li, Qiang Wu, Hong Zhang, Yun Liu, Jian Słońce i Gong Fu Lin, 2 października 2023 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
doi: 10.1073/pnas.2309952120

Badanie zostało sfinansowane przez Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych i Program Geofizyki Narodowej Fundacji Nauki.