Trickle-down er løsningen (på problemet med planetarisk kernedannelse)

Forskere har længe overvejet, hvordan stenede kroppe i solsystemet - inklusive vores egen Jord - fik deres metalkerner. Ifølge forskning udført af University of Texas i Austin, beviser peger på den nedadgående perkolering af smeltet metal mod planetens centrum gennem små kanaler mellem stenkorn.

Fundet sætter spørgsmålstegn ved fortolkningen af ​​tidligere eksperimenter og simuleringer, der forsøgte at forstå, hvordan metaller opfører sig under intens varme og tryk, når planeter dannes. Tidligere resultater tydede på, at store dele af smeltede metaller forblev fanget i isolerede porer mellem kornene. I modsætning, den nye forskning tyder på, at når disse isolerede porer vokser store nok til at forbinde, det smeltede metal begynder at flyde, og det meste af det er i stand til at perkolere langs korngrænserne. Denne proces ville lade metal sive ned gennem kappen, akkumuleres i midten, og danner en metalkerne, som jernkernen i hjertet af vores hjemmeplanet.

"Det, vi siger, er, at når smeltenettet bliver forbundet, det forbliver forbundet, indtil næsten alt metal er i kernen, " sagde medforfatter Marc Hesse, en lektor ved UT Jackson School of Geosciences Department of Geological Sciences, og medlem af UT's Institute for Computational Engineering and Sciences.

Forskningen blev offentliggjort den 4. december i Proceedings of the National Academy of Sciences . Arbejdet var Soheil Ghanbarzadehs doktorafhandling, der fik sin ph.d. mens han var studerende i UT Institut for Petroleum og Geosystems Engineering (nu Hildebrand Department of Petroleum and Geosystems Engineering). Han arbejder i øjeblikket som reservoiringeniør hos BP America. Soheil blev i fællesskab rådgivet af Hesse og Maša Prodanovic, en lektor i Hildebrand-afdelingen og en medforfatter.

Planeter og planetesimaler (små planeter og store asteroider) er primært dannet af silikatsten og metal. En del af planetdannelsesprocessen involverer den indledende masse af materiale, der adskilles i en metallisk kerne og en silikatskal, der består af kappen og skorpen. For at perkolationsteorien om kernedannelse skal fungere, langt størstedelen af ​​metal i planetlegemet skal finde vej til centrum.

I dette studie, Ghanbarzadeh udviklede en computermodel til at simulere fordelingen af ​​smeltet jern mellem stenkorn som porøsitet, eller smeltefraktion, øget eller mindsket. Simuleringerne blev udført på Texas Advanced Computing Center. Forskere fandt ud af, at når metallet begynder at flyde, det kan fortsætte med at flyde, selvom smeltefraktionen falder betydeligt. Dette er i modsætning til tidligere simuleringer, der fandt ud af, at når metallet begynder at flyde, det kræver kun et lille dyk i smeltevolumenet, før nedsivningen stopper.

"Folk har antaget, at du kobler fra ved den samme smeltefraktion, som du først tilsluttede... og det ville efterlade betydelige mængder af metallet bag sig, "Hesse sagde. "Det, vi fandt, er, at når den metalliske smelte forbinder, og hvornår den afbrydes, er det ikke nødvendigvis det samme."

Ifølge computermodellen, kun 1 til 2 procent af det oprindelige metal ville blive fanget i silikatkappen, når perkolationen stopper, hvilket stemmer overens med mængden af ​​metal i jordens kappe.

Forskerne peger på arrangementet af stenkornene for at forklare forskellene i, hvor godt forbundne mellemrummene mellem kornene er. Tidligere arbejde brugte et geometrisk mønster af regelmæssige, identiske korn, mens dette arbejde var baseret på simuleringer ved hjælp af en uregelmæssig korngeometri, som menes i højere grad at afspejle virkelige forhold. Geometrien blev genereret ved hjælp af data fra en polykrystallinsk titaniumprøve, der blev scannet ved hjælp af røntgenmikrotomografi.

"Den numeriske model, som Soheil udviklede i sin ph.d.-afhandling, gjorde det muligt for første gang at finde tredimensionelle smeltenetværk af enhver geometrisk kompleksitet, " sagde Prodanovic. "At have en tredimensionel model er nøglen til at forstå og kvantificere, hvordan smeltefangst fungerer."

Indsatsen gav pote, fordi forskerne fandt ud af, at geometrien har en stærk effekt på smelteforbindelsen. I de uregelmæssige korn, smeltekanalerne varierer i bredde, og de store forbliver forbundet, selvom det meste af metallet løber væk.

"Det, vi gjorde anderledes her, var at tilføje et element af nysgerrighed for at se, hvad der sker, når du dræner smelten fra det porøse, duktilt bjerg, " sagde Ghanbarzadeh.

Forskerne sammenlignede også deres resultater med et metallisk smeltenetværk bevaret i en ankondritmeteorit, en type meteorit, der kom fra et planetarisk legeme, der differentierede sig til mærkbare lag. Røntgenbilleder af meteoritten taget i Jackson School's High-Resolution X-Ray CT Facility afslørede en metalfordeling, der er sammenlignelig med de beregnede smelte netværk. Prodanovic sagde, at denne sammenligning viser, at deres simulering fanger de funktioner, der er observeret i meteoritten.