Simulering af meteoritnedslag i laboratoriet

Et amerikansk-tysk forskerhold har simuleret meteoritnedslag i laboratoriet og fulgt de resulterende strukturelle ændringer i to feldspatmineraler med røntgenstråler, mens de skete. Resultaterne af eksperimenterne hos DESY og ved Argonne National Laboratory i USA viser, at strukturelle ændringer kan forekomme ved meget forskellige tryk, afhængig af kompressionshastigheden. Fundene, offentliggjort i 1. februar-udgaven af ​​det videnskabelige tidsskrift Earth and Planetary Science Letters (udgivet online på forhånd), vil hjælpe andre forskere med at rekonstruere de forhold, der fører til nedslagskratere på Jorden og andre jordbaserede planeter.

Meteoritnedslag spiller en vigtig rolle i dannelsen og udviklingen af ​​Jorden og andre planetariske legemer i vores solsystem. Men påvirkningsforholdene, inklusive slaglegemets størrelse, hastighed og spidstryk og temperatur, bestemmes normalt længe efter, at nedslaget skete, ved at studere permanente ændringer i de stendannende mineraler i nedslagskrateret. At rekonstruere nedslagsforholdene fra klipperekorden i et nedslagskrater hundreder til millioner af år efter begivenheden kræver, at videnskabsmænd forener observationer fra felten med resultaterne af laboratorieforsøg.

I de seneste årtier har forskere har udviklet et klassifikationsskema, der binder nedslagsforholdene til tryk- og temperatur-inducerede ændringer i stendannende mineraler, der kan findes i typiske sten i nedslagskratere. Feldspatgruppen mineraler albit (NaAlSi ₃ O ₈ ), anorthit (CaAl ₂ Si ₂ O ₈ ) og deres blanding plagioklas (NaxCa _1-x Al _2-x Si _2+x O ₈ ) er meget rigelige i planetskorper. Derfor, ændringer i disse mineraler med hensyn til tryk og temperatur bruges i vid udstrækning som indikatorer for meget store påvirkninger. Sådanne ændringer omfatter strukturelle transformationer eller amorfisering, tabet af ordnet krystalstruktur.

Imidlertid, for feldspatgruppens mineraler, de rapporterede værdier for trykforholdene for amorfiseringsovergangen adskiller sig meget, hvis der anvendes statiske eller dynamiske kompressionsteknikker. "Disse forskelle peger på store huller i vores forståelse af kompressionshastighed-inducerede processer i mineraler, siger Lars Ehm fra Stony Brook University og Brookhaven National Laboratory, projektets hovedefterforsker. Dette har vidtrækkende implikationer for fortolkningen af ​​naturlige påvirkningsbegivenheder baseret på stenrekorden med hensyn til hastigheden, størrelse og andre egenskaber ved meteoritten.

Den indre struktur af mineraler og andre prøver kan undersøges med røntgenstråler, der diffrakteres af et materiales krystalgitter. Fra det karakteristiske diffraktionsmønster, den indre struktur af en prøve kan bestemmes. Denne teknik er blevet brugt og forfinet i mere end et århundrede. Det kan nu også bruges til at spore dynamiske processer.

"Fremkomsten af ​​nye og meget kraftfulde røntgenkilder som PETRA III, Avanceret fotonkilde, og den europæiske røntgenfri elektronlaser i kombination med de seneste kvantespring inden for røntgendetektorteknologi giver os nu de eksperimentelle værktøjer til at undersøge materialers respons til at måle atomstrukturen ved hurtige kompressionsforhold, siger Hanns-Peter Liermann, leder af Extreme Conditions Beamline P02.2 hos DESYs røntgenkilde PETRA III, hvor nogle af forsøgene blev udført.

"I vores eksperiment brugte vi gas- eller aktuatorkontrollerede diamantamboltceller til hurtigt at komprimere vores prøver, mens vi kontinuerligt indsamler røntgendiffraktionsmønstre, " forklarer Melissa Sims, hovedforfatter af undersøgelsen. "Dette giver os mulighed for at overvåge ændringerne i atomstrukturen under hele komprimerings- og dekompressionscyklussen, og ikke kun i starten og slutningen af ​​eksperimentet som i tidligere såkaldte recovery-eksperimenter."

Forskerholdet var i stand til at observere amorfisering af albit og anorthit ved forskellige kompressionshastigheder i eksperimentet. De komprimerede mineralerne til et tryk på 80 gigapascal, svarende til 80, 000 gange det atmosfæriske tryk. I forsøgene, kompressionshastigheder fra 0,1 gigapascal pr. sekund (GPa/s) til 81 GPa/s blev brugt. "Resultaterne viser, at afhængigt af kompressionshastigheden, mineralerne gennemgår amorfiseringsovergangen ved meget forskellige tryk, " siger Ehm. "Stigningen i kompressionshastigheden førte til en sænkning af det observerede amorfiseringstryk." ved den laveste kompressionshastighed på 0,1 GPa/s, albit blev fuldstændig amorf ved et tryk på 31,5 gigapascal, mens det ved den højeste hastighed på 81 GPa/s skete allerede ved 16,5 gigapascal.

"Af disse grunde, amorfisering i plagioklasmineraler er sandsynligvis ikke en entydig standard til at foreslå specifikke spidstryk og temperaturforhold under meteoritnedslag, " siger Ehm. Yderligere undersøgelser er nødvendige for fuldt ud at forstå disse mineralers adfærd og for at vurdere, om påvirkningsforholdene kan måles i forhold til strukturen af ​​stenmineraler.