Бьющееся сердце нашей планеты осталось загадкой для ученых, ищущих, как Земля сформировалась и что пошло в ее создание. Но недавнее исследование смогло воссоздать интенсивное давление, приближающееся к тем, которые были обнаружены в центре Земли, что дало исследователям возможность взглянуть на первые дни нашей планеты и даже на то, как ядро может выглядеть сейчас.
Они объявили о своих выводах в недавнем выпуске журнала Science . «Если мы выясним, какие элементы находятся в ядре, мы сможем лучше понять условия, в которых сформировалась Земля, что затем сообщит нам о ранней истории Солнечной системы», - сказал ведущий автор исследования Анат Шахар, геохимик из Института науки Карнеги. в Вашингтоне, округ Колумбия. Это также может дать исследователям представление о том, как появились другие каменистые планеты, как в нашей собственной солнечной системе, так и за ее пределами.
Земля образовалась около 4, 6 миллиардов лет назад в результате бесчисленных столкновений между скалистыми телами размером от Марса до астероидов. Поскольку ранняя Земля выросла, ее внутреннее давление и температура также увеличились.
Это имело последствия для того, как железо - которое составляет большую часть ядра Земли - химически взаимодействовало с более легкими элементами, такими как водород, кислород и углерод, когда более тяжелый металл отделялся от мантии и погружался во внутреннюю часть планеты. Мантия - это слой прямо под земной корой, и движение расплавленной породы через эту область приводит к тектонике плит.
Ученые давно признали, что изменение температуры может влиять на степень, в которой версия или изотоп элемента, такого как железо, становится частью ядра. Этот процесс называется изотопным фракционированием.
До сих пор, однако, давление не считалось критической переменной, влияющей на этот процесс. «В 60-х и 70-х годах проводились эксперименты по поиску этих эффектов давления, и ни один из них не был обнаружен», - говорит Шахар, который является частью программы Deep Carbon Observatory. «Теперь мы знаем, что давление, которое они испытывали - около двух гигапаскалей (ГПа) - было недостаточно высоким».
Бумага 2009 года другой группы предположила, что давление могло повлиять на элементы, которые превратили его в ядро нашей планеты. Поэтому Шахар и ее команда решили заново исследовать его эффекты, но с использованием оборудования, которое могло бы достичь давления до 40 ГПа - гораздо ближе к 60 ГПа, что, по мнению ученых, было средним во время раннего формирования ядра Земли.
В экспериментах, выполненных в усовершенствованном источнике фотонов Министерства энергетики США, являющемся пользовательским офисом в научной лаборатории Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, команда поместила небольшие образцы железа, смешанного с водородом, углеродом или кислородом, между точками двух алмазов. Стороны этой «ячейки с алмазной наковальней» были затем сжаты вместе, чтобы создать огромное давление.
После этого образцы трансформированного железа подвергались бомбардировке мощным рентгеновским излучением. «Мы используем рентгеновские лучи, чтобы исследовать вибрационные свойства железных фаз», - сказал Шахар. Различные частоты вибрации говорили ей, какие версии железа она имела в своих образцах.
Команда обнаружила, что экстремальное давление влияет на фракционирование изотопов. В частности, команда обнаружила, что реакции между железом и водородом или углеродом - двумя элементами, которые, как считается, присутствуют в ядре, - должны были оставить подпись в мантийных породах. Но эта подпись никогда не была найдена.
«Поэтому мы не думаем, что водород и углерод являются основными легкими элементами в ядре», - сказал Шахар.
Напротив, комбинация железа и кислорода не оставила бы следа в мантии, согласно экспериментам группы. Таким образом, все еще возможно, что кислород мог быть одним из более легких элементов в ядре Земли.
Полученные данные подтверждают гипотезу о том, что кислород и кремний составляют основную массу легких элементов, растворенных в ядре Земли, говорит Джозеф О'Рурк, геофизик из Калифорнийского технологического института в Пасадене, штат Калифорния, который не принимал участия в исследовании.
«Кислорода и кремния чрезвычайно много в мантии, и мы знаем, что они растворимы в железе при высокой температуре и давлении», - говорит О'Рурк. «Поскольку кислород и кремний в основном гарантированно попадут в ядро, для других кандидатов, таких как водород и углерод, места не так много».
Шахар сказала, что ее команда планирует повторить эксперимент с кремнием и серой, другими возможными компонентами ядра. Теперь, когда они показали, что давление может влиять на фракционирование, группа также планирует посмотреть на эффекты давления и температуры вместе, которые, по их прогнозам, дадут результаты, отличные от одного. «Все наши эксперименты проводились с образцами твердого железа при комнатной температуре. Но во время формирования керна все было расплавлено », - сказал Шахар.
По словам ученых, результаты таких экспериментов могут иметь отношение к экзопланетам или планетам за пределами нашей Солнечной системы. «Потому что для экзопланет вы можете видеть только их поверхности или атмосферу», - сказал Шахар. Но как их интерьеры влияют на то, что происходит на поверхности, спросила она. «Ответ на эти вопросы повлияет на существование жизни на планете».
Узнайте больше об этом исследовании в Обсерватории Deep Carbon.
Примечание редактора, 5 мая 2016 г .: Эта история изначально была местом проведения экспериментов в Вашингтоне, округ Колумбия. Они проводились в лаборатории в Иллинойсе.
