Præcis måling af flydende jerns massefylde under ekstreme forhold

Ved at bruge det store synkrotronstrålingsanlæg SPring-8 i Japan, et samarbejde mellem forskere fra Kumamoto University, universitetet i Tokyo, og andre fra Japan og Frankrig har præcist målt tætheden af ​​flydende jern under forhold svarende til dem ved Jordens ydre kerne:1, 000, 000 atm og 4, 000 grader C. Nøjagtige tæthedsmålinger af flydende jern under sådanne ekstreme forhold er meget vigtige for at forstå den kemiske sammensætning af vores planets kerne.

Jorden har en solid metal indre kerne og en flydende metal ydre kerne placeret omkring 2, 900 km (1, 800 mi) under overfladen, som begge er under meget høje tryk og temperaturer. Da hovedbestanddelen af ​​den ydre kerne er jern, og dens massefylde er betydeligt lavere end for rent jern, det mentes at indeholde en stor mængde lette grundstoffer som brint og ilt. At identificere typen og mængden af ​​disse lette elementer vil give mulighed for en bedre forståelse af Jordens oprindelse, specifikt de materialer, der udgjorde Jorden og miljøet i kernen, da den adskilte sig fra kappen. Imidlertid, dette kræver først en nøjagtig måling af densiteten af ​​rent flydende jern ved ekstremt tryk og temperatur svarende til den smeltede kerne, så tæthederne kan sammenlignes.

Når trykket stiger, smeltepunktet for jern stiger også, hvilket gør det vanskeligt at studere massefylden af ​​flydende jern under ultrahøjt tryk. Tidligere højtryksmålinger af flydende jerns massefylde hævdede, at den var omkring 10 % højere end densiteten af ​​flydende jern under kerneforhold, men de anvendte stødkompressionseksperimenter blev antaget at have en stor fejl.

Det nuværende arbejde forbedrer disse målinger ved at bruge højintensitetsrøntgen på SPring-8-anlægget til at måle røntgendiffraktionen af ​​flydende jern under ultrahøje tryk og høje temperaturer, og anvender en ny analytisk metode til at beregne væskedensiteten. Derudover væskens lydhastighedsprofil blev målt under ekstreme forhold op til 450, 000 atm. Data blev indsamlet ved forskellige temperaturer og tryk og derefter kombineret med tidligere stødbølgedata for at beregne tæthed for forhold over hele Jordens kerne.

I øjeblikket, den bedste måde at estimere tætheden af ​​Jordens ydre kerne er ud fra seismiske observationer. Ved at sammenligne den ydre kernedensitet med de eksperimentelle målinger i denne undersøgelse finder man, at rent jern er omkring 8 % mere tæt end Jordens ydre kerne. Ilt, som tidligere er blevet betragtet som en stor urenhed, kan ikke forklare tæthedsforskellen, tyder på tilstedeværelsen af ​​andre lette elementer. Denne åbenbaring er et stort skridt i retning af at estimere kernens kemiske sammensætning - et førsteklasses problem inden for geovidenskab.

"I hele verden, mange forsøg på at måle tætheden, lydens hastighed, og struktur af væsker under ultrahøjt tryk ved hjælp af laseropvarmede diamantceller er blevet fremstillet i over 30 år, men ingen har haft succes indtil videre, " sagde Dr. Yoichi Nakajima, et af hovedmedlemmerne i forskningssamarbejdet. "Vi forventer, at de teknologiske innovationer opnået i denne undersøgelse dramatisk vil accelerere forskningen i væsker under højt tryk. Til sidst, vi tror, ​​at dette vil uddybe vores forståelse af den flydende metalliske kerne og magma dybt inde i Jorden og andre klippeplaneter."