Ny teori forklarer, hvordan Jordens indre kerne forbliver solid trods ekstrem varme

Selvom det er varmere end Solens overflade, Jordens krystalliserede jernkerne forbliver fast. En ny undersøgelse fra KTH Royal Institute of Technology i Sverige kan endelig afgøre en langvarig debat om, hvordan det er muligt, samt hvorfor seismiske bølger rejser med højere hastigheder mellem planetens poler end gennem ækvator.

En krystalkugle, der spinder i Jordens smeltede kerne – faktisk en masseformation af næsten rent krystalliseret jern – næsten på størrelse med månen. Ved at forstå dette mærkelige, uobserverbare egenskaber ved vores planet afhænger af at kende atomstrukturen af ​​disse krystaller - noget videnskabsmænd har forsøgt at gøre i årevis.

Som med alle metaller, jernets krystalstrukturer på atomare skala ændrer sig afhængigt af den temperatur og det tryk metallet udsættes for. Atomer er pakket i variationer af kubiske, samt sekskantede formationer. Ved stuetemperatur og normalt atmosfærisk tryk, jern er i det, der er kendt som en kropscentreret kubisk (BCC) fase, som er en krystalarkitektur med otte hjørnepunkter og et midtpunkt. Men ved ekstremt højt tryk omdannes de krystallinske strukturer til 12-punkts hexagonale former, eller en tætpakket (HCP) fase.

I jordens kerne, hvor trykket er 3,5 millioner gange højere end overfladetrykket – og temperaturerne er omkring 6, 000 grader højere - videnskabsmænd har foreslået, at jernets atomare arkitektur skal være sekskantet. Hvorvidt BCC-jern findes i jordens centrum har været diskuteret i de sidste 30 år, og en nylig undersøgelse fra 2014 udelukkede det, argumenterer for, at BCC ville være ustabil under sådanne forhold.

Imidlertid, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Natur Geovidenskab , forskere ved KTH fandt ud af, at jern i Jordens kerne faktisk er i BCC-fasen. Anatoly Belonoshko, en forsker ved Institut for Fysik på KTH, siger, at da forskerne undersøgte større beregningsprøver af jern end tidligere undersøgt, egenskaber ved BCC-jernet, der mentes at gøre det ustabilt, endte med at gøre det modsatte.

"Under forhold i Jordens kerne, BCC jern udviser et mønster af atomær diffusion, der aldrig før er observeret, " siger Belonoshko.

Belonoshko siger, at dataene også viser, at rent jern sandsynligvis tegner sig for 96 procent af den indre kernes sammensætning, sammen med nikkel og eventuelt lette elementer.

Deres konklusioner er draget fra besværlige computersimuleringer udført ved hjælp af Triolith, en af ​​de største svenske supercomputere. Disse simuleringer gjorde det muligt for dem at genfortolke observationer indsamlet for tre år siden på Livermore Lawrence National Laboratory i Californien. "Det ser ud til, at de eksperimentelle data, der bekræfter stabiliteten af ​​BCC-jern i kernen, var foran os - vi vidste bare ikke, hvad det egentlig betød, " han siger.

Ved lav temperatur er BCC ustabil, og krystallinske planer glider ud af den ideelle BCC-struktur. Men ved høje temperaturer, stabiliseringen af ​​disse strukturer begynder meget som et kortspil – med blanding af et "dæk". Belonoshko siger, at i den ekstreme varme i kernen, atomer hører ikke længere til fly på grund af atombevægelsens høje amplitude.

"Glidningen af ​​disse fly er lidt som at blande et spil kort, " forklarer han. "Selvom kortene er placeret i forskellige positioner, dækket er stadig et dæk. Ligeledes, BCC-jernet bevarer sin kubiske struktur."

En sådan blanding fører til en enorm stigning i fordelingen af ​​molekyler og energi – hvilket fører til stigende entropi, eller fordelingen af ​​energitilstande. At, på tur, gør BCC stabil.

Normalt, diffusion ødelægger krystalstrukturer og forvandler dem til væske. I dette tilfælde, diffusion tillader jern at bevare BCC-strukturen. "BCC-fasen går efter mottoet:'Det, der ikke dræber mig, gør mig stærkere', " Belonoshko siger. "Ustabiliteten dræber BCC-fasen ved lav temperatur, men gør BCC-fasen stabil ved høj temperatur."

Han siger, at denne diffusion også forklarer, hvorfor Jordens kerne er anisotropisk – dvs. den har en tekstur, der er retningsbestemt – som træets åre. Anisotropi forklarer, hvorfor seismiske bølger bevæger sig hurtigere mellem Jordens poler, end gennem ækvator.

"De unikke egenskaber ved Fe BCC-fasen, såsom selvdiffusion ved høj temperatur, selv i et rent fast jern, kan være ansvarlig for dannelsen af ​​storskala anisotrope strukturer, der er nødvendige for at forklare jordens indre kerne anisotropi, " siger han. "Diffusionen tillader nem teksturering af jern som reaktion på enhver stress."

Forudsigelsen åbner vejen til at forstå Jordens indre og til sidst til at forudsige Jordens fremtid, Belonoshko siger. "Det ultimative mål med geovidenskab er at forstå fortiden, Jordens nutid og fremtid - og vores forudsigelse giver os mulighed for at gøre netop det."