Credit de imagine: NASA
Geologii de la Universitatea Berkeley consideră că potasiul radioactiv ar putea fi o sursă substanțială de căldură în nucleul Pământului. Cu toate acestea, geologii au descoperit că potasiul poate forma un aliaj greu cu fierul la temperaturi și presiuni ridicate, astfel că s-ar putea să se scufunde doar în mijlocul Pământului și să poată forma o componentă minunată a miezului - dar o cincime din căldura sa.
Potasiul radioactiv, suficient de comun pe Pământ pentru a face bananele bogate în potasiu unul dintre cele mai „fierbinți” alimente din jur, pare să fie și o sursă substanțială de căldură în miezul Pământului, potrivit unor experimente recente ale Universității din California, Berkeley, geofizicieni.
Potasiul radioactiv, uraniul și toriul sunt considerate a fi cele trei surse principale de căldură din interiorul Pământului, în afară de cel generat de formarea planetei. Împreună, căldura menține mantaua agitată activ și miezul generând un câmp magnetic protector.
Dar geofizicienii au găsit mult mai puțin potasiu în crusta și mantaua Pământului decât s-ar fi așteptat pe baza compoziției de meteoriști stâncoși care ar fi format Pământul. Dacă, după cum au propus unii, potasiul care lipsește se află în miezul de fier al Pământului, cum a ajuns un element la fel de ușor ca potasiul, mai ales că fierul și potasiul nu se amestecă?
Kanani Lee, care și-a câștigat recent doctoratul. de la UC Berkeley și UC Berkeley, profesor de științe terestre și planetare, Raymond Jeanloz, au descoperit un posibil răspuns. Au arătat că, la presiunile și temperaturile ridicate din interiorul Pământului, potasiul poate forma un aliaj cu fier niciodată observat. În timpul formării planetei, acest aliaj de potasiu-fier ar putea fi scufundat în miez, epuizând potasiu în mantia și crustă deasupra și oferind o sursă de căldură radioactivă de potasiu, pe lângă cea furnizată de uraniu și toriu în miez.
Lee a creat noul aliaj prin stoarcerea fierului și a potasiului între vârfurile a două diamante la temperaturi și presiuni caracteristice de 600-700 de kilometri sub suprafață - 2.500 de grade Celsius și aproape 4 milioane de lire sterline pe un pătrat, sau un sfert de milion de ori atmosferice. presiune.
„Noile noastre descoperiri indică faptul că miezul poate conține până la 1.200 de părți pe milion de potasiu - peste o zecime de unu la sută”, a spus Lee. „Această cantitate poate părea mică și este comparabilă cu concentrația de potasiu radioactiv prezent în mod natural în banane. Cu toate acestea, combinată pe întreaga masă a nucleului Pământului, poate fi suficient pentru a oferi o cincime din căldura emisă de Pământ. "
Lee și Jeanloz vor raporta concluziile lor pe 10 decembrie, la întâlnirea American Geophysical Union din San Francisco, și într-un articol acceptat pentru publicare în Geophysical Research Letters.
„Cu un experiment, Lee și Jeanloz au demonstrat că potasiul poate fi o sursă importantă de căldură pentru geodinamă, au oferit o cale de ieșire a unor aspecte supărătoare ale evoluției termice a miezului și au demonstrat în continuare că fizica minerală de calcul modernă nu doar completează munca experimentală, ci că poate oferi îndrumări pentru explorări experimentale fructuoase ", a declarat Mark Bukowinski, profesor de științe terestre și planetare la UC Berkeley, care a prezis aliajul neobișnuit la mijlocul anilor '70.
Geofizicianul Bruce Buffett de la Universitatea din Chicago avertizează că trebuie să fie făcute mai multe experimente pentru a arăta că fierul poate de fapt să extragă potasiul de pe rocile silicate care domină în mantia Pământului.
„Au demonstrat că este posibil să dizolve potasiul în fier lichid”, a spus Buffet. „Modelatorii au nevoie de căldură, deci aceasta este o singură sursă, deoarece izotopul radiogenic al potasiului poate produce căldură și care poate ajuta la convecția energiei în miez și la conducerea câmpului magnetic. Au dovedit că poate intra. Ceea ce este important este cât de mult este extras din silicat. Încă mai sunt de făcut ”
Dacă o cantitate semnificativă de potasiu rezidă în miezul Pământului, acest lucru ar clarifica o întrebare persistentă - de ce raportul dintre potasiu și uraniu în meteoritele pietroase (condrite), care se presupune că s-a reunit pentru a forma Pământul, este de opt ori mai mare decât cel observat raportul în scoarța pământului. Deși unii geologi au afirmat că potasiul care lipsește se află în miez, nu a existat niciun mecanism prin care să fi putut ajunge în miez. Alte elemente precum oxigenul și carbonul formează compuși sau aliaje cu fier și, probabil, au fost târâți în jos de fier în timp ce s-a scufundat în miez. Dar la temperatură și presiune normale, potasiul nu se asociază cu fierul.
Alții au susținut că potasiul care lipsește se fierbea în timpul etapei timpurii, topite a evoluției Pământului.
Demonstrația făcută de Lee și Jeanloz conform căreia potasiul se poate dizolva în fier pentru a forma un aliaj oferă o explicație pentru lipsa de potasiu.
"La începutul istoriei Pământului, temperatura și presiunea interioară nu ar fi fost suficient de ridicate pentru a face acest aliaj", a spus Lee. „Dar pe măsură ce tot mai mulți meteoriți s-au acumulat, presiunea și temperatura ar fi crescut până la punctul în care s-ar putea forma acest aliaj.”
Existența acestui aliaj de înaltă presiune a fost prevăzută de Bukowinski la mijlocul anilor '70. Folosind argumente mecanice cuantice, el a sugerat că presiunea înaltă ar strânge electronul exterior al potasiului într-o coajă inferioară, ceea ce face ca atomul să semene cu fierul și, astfel, este mai probabil să se lege cu fierul.
Mai recente calcule mecanice cuantice folosind tehnici îmbunătățite, efectuate cu Gerd Steinle-Neumann la Bayerische Bayerisches Geoinstit? T, au confirmat noile măsurători experimentale.
"Acest lucru se reproduce într-adevăr și verifică calculele anterioare acum 26 de ani și oferă o explicație fizică pentru rezultatele noastre experimentale", a spus Jeanloz.
Se crede că Pământul s-a format din coliziunea multor asteroizi stâncoși, probabil cu sute de kilometri în diametru, în sistemul solar timpuriu. Pe măsură ce proto-Pământul s-a încetinit treptat, coliziunile continue ale asteroizilor și prăbușirea gravitațională au menținut planeta topită. Elemente mai grele? în special fierul - s-ar fi scufundat în miez în decurs de 10 până la 100 de milioane de ani, purtând cu el și alte elemente care se leagă de fier.
Treptat, totuși, Pământul s-ar fi răcit și ar deveni un glob stâncos mort, cu o bilă rece de fier în miez, dacă nu pentru eliberarea continuă de căldură prin descompunerea elementelor radioactive precum potasiu-40, uraniu-238 și toriu-232 , care au perioade de înjumătățire de 1,25 miliarde, 4 miliarde și, respectiv, 14 miliarde de ani. Aproximativ unu din fiecare mie de atomi de potasiu este radioactiv.
Căldura generată în miez transformă fierul într-un dinam dinamic, care menține un câmp magnetic suficient de puternic pentru a proteja planeta de vântul solar. Această căldură se scurge în manta, provocând convecția în roca care mișcă plăcile cruste și vulcanii combustibili.
Echilibrarea căldurii generate în miez cu concentrațiile cunoscute de izotopi radiogeni a fost totuși dificilă, iar potasiul care lipsește a reprezentat o mare parte a problemei. Un cercetător a propus la începutul acestui an că sulful ar putea ajuta potasiul să se asocieze cu fierul și să ofere un mijloc prin care potasiul să ajungă în miez.
Experimentul lui Lee și Jeanloz arată că sulful nu este necesar. Lee a combinat fierul pur și potasiul pur într-o celulă de nicovală și a stors eșantionul mic la 26 de gigapascali de presiune, în timp ce încălzește proba cu un laser peste 2.500 de Kelvin (4.000 de grade Fahrenheit), care se află deasupra punctelor de topire atât a potasiului, cât și a fierului. Ea a condus acest experiment de șase ori în fascicule cu raze X de înaltă intensitate a două acceleratoare diferite - sursa de lumină avansată a laboratorului național Lawrence Berkeley și Laboratorul de radiații de sincrotron Stanford - pentru a obține imagini de difracție cu raze X ale structurii interne a eșantioanelor. Imaginile au confirmat că potasiul și fierul s-au amestecat uniform pentru a forma un aliaj, la fel ca amestecul de fier și carbon pentru a forma aliaj de oțel.
În oceanul magmatic teoretic al unui proto-Pământ, presiunea la o adâncime de 400-1.000 de kilometri (270-670 mile) ar fi cuprinsă între 15 și 35 de gigapascali, iar temperatura ar fi de 2.200-3.000 de Kelvin, a spus Jeanloz.
„La aceste temperaturi și presiuni, fizica de bază se schimbă și densitatea electronilor se schimbă, ceea ce face ca potasiul să pară mai mult ca fierul”, a spus Jeanloz. „La presiune ridicată, tabelul periodic arată total diferit.”
„Lucrările lui Lee și Jeanloz oferă prima dovadă că potasiul este într-adevăr miscibil în fier la presiuni ridicate și, poate la fel de semnificativ, indică în continuare fizica calculației care stă la baza prezicerii inițiale”, a spus Bukowinski. „Dacă se poate demonstra în continuare că potasiul ar introduce fier în cantități semnificative în prezența mineralelor silicate, condiții reprezentative pentru procesele de formare a miezului probabil, atunci potasiul ar putea furniza căldura suplimentară necesară pentru a explica de ce nucleul interior al Pământului nu s-a înghețat o dimensiune atât de mare pe cât sugerează istoria termică a miezului. ”
Jeanloz este încântat de faptul că acum calculele teoretice nu explică doar descoperirile experimentale la presiune ridicată, ci și previziunile structurilor.
„Avem nevoie de teoreticieni să identifice problemele interesante, nu numai să ne verifice rezultatele după experiment”, a spus el. „Asta se întâmplă acum. În ultimii jumătate de duzină de ani, teoreticienii au făcut predicții pe care experimentații sunt dispuși să-și petreacă câțiva ani pentru a demonstra. ”
Lucrarea a fost finanțată de Fundația Națională de Știință și Departamentul Energiei.
Sursa originală: Comunicat de presă al Universității Berkeley
