Svinger og oversætter Jordens indre kerne unormalt?

En teoretisk mineralfysisk tilgang baseret på ab initio-metoderne blev vedtaget for at bestemme viskositeten af ​​hexagonal, tætpakket jern ved de ekstreme tryk og temperaturer, der svarer til Jordens indre kerne. Resultaterne viser sig at benægte geofysiske observationer af store udsving i den indre kernerotationshastighed. Den opnåede viskositet udelukker også indre kerneoversættelse og understøtter, at dynamikken i den indre kerne kan styres af konvektion i fast tilstand.

Jordens indre kerne, skjult 5150 km under vores fødder, er primært sammensat af fast jern og er udsat for tryk mellem 329 og 364 GPa (som er ~3,3 til 3,6 millioner gange det atmosfæriske tryk) og temperaturer på ~5000 til ~6000 K (billede 1). Seismologiske observationer har tidligere afsløret, at hastigheden af ​​seismiske bølger produceret af jordskælv afhænger stærkt af deres retning, når de bevæger sig gennem den indre kerne, et fænomen kendt som "seismisk anisotropi." Dette skyldes justeringen af ​​jernkrystallerne, noget, der kan være forårsaget af deformation inde i den indre kerne. Mere specifikke variationer i seismisk anisotropi mellem den østlige og vestlige halvkugle af den indre kerne er også blevet rapporteret. Andre seismiske undersøgelser tyder endvidere på "tydelige udsving i den indre kernerotationshastighed" med hensyn til jordskorpen og kappen. Selvom tidligere geodynamiske modelleringer forudsiger, at den hemisfæriske asymmetri af den seismiske anisotropistruktur kan forklares ved "en translationel bevægelse af den indre kerne", og at variationer i længden af ​​et døgn kan forklares ved gravitationskoblingen mellem kappen og en svag indre kerne, årsagerne og mekanismerne til disse gådefulde træk forbliver uklare, fordi deres modeller er afhængige af den dårligt begrænsede "viskøse styrke" af jern under de ekstreme forhold i Jordens centrum.

Materialernes viskositet afhænger af den måde, jernkrystaller undergår plastisk deformation som reaktion på en mekanisk belastning, og deformationsmekanismer kaldet "krybning" forventes generelt under høje temperaturer og små spændingsforhold (billede 2). Krybning af faste krystaller imødekommes generelt af bevægelsen af ​​ufuldkomne arrangementer af atomer i krystalstrukturerne kaldet "gitterdefekter" og er særligt begrænset af "atomisk diffusion" under betingelserne for den indre kerne. Sådanne forhold pålægger laboratorieeksperimenter tekniske vanskeligheder, hvilket gør målinger af den indre kerneviskositet i øjeblikket umulige. I stedet, Dr. Sebastian Ritterbex, en post-doc forsker, og prof. Taku Tsuchiya fra Geodynamisk Forskningscenter, Ehime Universitet, anvendte computersimuleringer i atomskala baseret på kvantemekanikteori, kaldet "ab initio -metoderne, "at kvantificere atomdiffusion i sekskantet tætpakket (hcp) jern, den mest sandsynlige fase af jernstabil i den indre kerne (billede 1).

Denne teoretiske mineralfysiske tilgang kan beregne elektroniske egenskaber og kemiske bindinger meget præcist og er derfor ganske kraftfuld til at undersøge materialegenskaber under ekstreme forhold, som er vanskelige at håndtere ved forsøg. I dette studie, Teknikken blev anvendt til at beregne jern-selvdiffusion gennem energetik for dannelse og migration af punktdefekter. Resultaterne anvendes på makroskopiske modeller af intrakrystallinsk plasticitet for at beregne den hastighedsbegrænsende krybeadfærd for hcp-jern numerisk. Modelleringen giver bevis for, at viskositeten af ​​hcp-jern er lavere end postuleret i de tidligere geofysiske modelleringer og bestemt af transporten af ​​forskydning gennem krystalgitteret, en plastisk deformationsmekanisme kendt som "dislokationskryb" (billede 2), hvilket kan føre til dannelsen af ​​krystallografiske foretrukne orienteringer. Dette tyder på, at plastisk strømning af hcp-jern faktisk kan bidrage til krystaljusteringen og dermed den seismiske anisotropi i den indre kerne.

Resultaterne kaster nyt lys over den indre kernes gådefulde egenskaber. Forskerne viser, at den lave viskositet af hcp-jern, der stammer fra den teoretiske mineralfysiske tilgang, er i overensstemmelse med en stærk kobling mellem den indre kerne og kappen, der er kompatibel med geofysiske observationer af små udsving i den indre kernes rotationshastighed. Resultaterne forudsiger desuden, at den indre kerne er for svag til at gennemgå translationel bevægelse, hvilket betyder, at den halvkugleformede asymmetriske struktur sandsynligvis har en anden, endnu ukendt, oprindelse. I stedet, mekaniske spændinger på snesevis af Pa er tilstrækkelige til at deformere hcp -jern ved forskydning af krybning ved ekstremt lave belastningshastigheder, kan sammenlignes med kandidatstyrkerne, der er i stand til at drive indre kernekonvektion. Den tilhørende viskositet er ikke en konstant, men afhænger i stedet af den mekaniske belastning, der påføres den indre kerne, en adfærd kendt som "ikke-newtonsk rheologi." Denne ikke-lineære deformationsadfærd forventes derfor at styre dynamikken i Jordens indre kerne.

I fremtiden, flere kvantitative modelleringer ved hjælp af de viskøse egenskaber af hcp -jern, der er opnået i denne undersøgelse, kan forbedre forståelsen af ​​Jordens indre kerne.

Undersøgelsen er publiceret i Videnskabelige rapporter .