Zespół naukowców odkrył, że tlenek żelaza odgrywa kluczową rolę w przewodzeniu ciepła z jądra Ziemi na powierzchnię, wpływając na ruchy tektoniczne i aktywność wulkaniczną.
Unikalne właściwości tego minerału, zidentyfikowane w ekstremalnych warunkach, są kluczem do zrozumienia dynamiki ciepła wewnętrznego Ziemi i jego wpływu na powierzchnię.
Odkrywanie roli minerałów w przewodzeniu ciepła
Naukowcy z Krajowego Laboratorium Wysokich Pól Magnetycznych wykorzystują swoją wiedzę na temat właściwości elektronicznych materiałów, aby rozwiązać tajemnicę znajdującą się głęboko w Ziemi.
Zespół badawczy, kierowany przez absolwenta asystenta badawczego Davida Ho i Uniwersytet Stanowy Florydy profesor fizyki Vlad Dobrosavljevic odkrył, w jaki sposób pojedynczy minerał może pomóc w przewodzeniu ciepła z jądra Ziemi w stronę powierzchni.
„W ekstremalnych warunkach dzieją się rzeczy, których się nie spodziewasz, a to jest przykład ekstremalnych warunków” – powiedział Dobrosavljevic.
Odsłonięcie ekstremalnych efektów kondycyjnych
W miarę przemieszczania się z powierzchni Ziemi w dół przez półstały płaszcz w kierunku płynnego jądra zewnętrznego warunki stają się intensywne. Temperatury wzrastają do około połowy temperatury powierzchni Słońca, a ciśnienie wzrasta do poziomu 1200 razy wyższego niż w najgłębszych głębinach oceanu.
To w tych warunkach zespół odkrył niezwykłe właściwości tlenku żelaza – minerału, który uważa się za minerał występujący powszechnie w niektórych miejscach na granicy płaszcza i rdzenia.
„Te właściwości wyróżniają się na tle wszystkich innych minerałów, o których wiemy, że istnieją głęboko pod ziemią” – powiedział Ho.
Korzystając z danych geologicznych i modelowania teoretycznego, naukowcy odkryli, że w pobliżu granicy między płaszczem Ziemi a jądrem zewnętrznym tlenek żelaza wchodzi w tak zwany stan krytyczny kwantowy, w którym ma właściwości zarówno izolatora, jak i przewodnika.
„Zachodzi to w strefie przejściowej między płaszczem a jądrem” – powiedział Ho. „Może to umożliwić ucieczkę ciepła z jądra i przedostanie się przez płaszcz w stronę powierzchni” – wyjaśnił.
Konsekwencje przenoszenia ciepła przez tlenek żelaza
Naukowcy uważają, że tlenek żelaza może służyć jako swego rodzaju strażnik między jądrem a płaszczem Ziemi. To niezwykle ważne odkrycie, ponieważ otwarcie się tej bramy i ucieczka ciepła może mieć wpływ na życie na powierzchni.
„Jeśli uda mu się przedostać na powierzchnię, może wywołać ruchy tektoniczne, wulkany, trzęsienia ziemi, a także może wpłynąć na pole magnetyczne Ziemi” – powiedział Dobrosavljevic.
„Istnieją pióropusze ciepła wydobywające się z granicy rdzenia i płaszcza w kierunku powierzchni tuż pod Hawajami. Uważamy, że jest to spowodowane obszarami tlenku żelaza wielkości gór, które przewodzą wystarczająco dużo, aby umożliwić ucieczkę ciepła i spowodować wybuch wulkanu” – wyjaśnił.
Zespół badawczy uważa, że te odkrycia mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia właściwości głębokiego płaszcza Ziemi i jego wpływu na planetę.
„W niektórych ekstremalnych warunkach można spodziewać się naprawdę dużych niespodzianek, gdy nawet w bardzo wysokich temperaturach można ujawnić efekty kwantowe” – powiedział Dobrosavljevic. „Uważamy, że ciśnienie jest kluczowym czynnikiem umożliwiającym osiągnięcie tego w wyższych temperaturach. ”
Łączenie fizyki i nauk planetarnych
Dobrosavljevic rozpoczął analizę tlenku żelaza współpracując ze swoim synem, Vasilije, fizykiem minerałów na Uniwersytecie Instytut Nauki Carnegie który wcześniej uzyskał doktorat w Caltech. Vasilije bada powiązania między właściwościami fizycznymi w skali atomowej a procesami geofizycznymi w skali planetarnej.
„Wraz z grupą badawczą z Caltech zdaliśmy sobie sprawę, że problemy fizyczne i zagadnienia, które badaliśmy w fizyce ciała stałego w MagLab, można zastosować do zrozumienia właściwości materiałów znajdujących się głęboko w ziemi” – powiedział Vlad. „Ziemia to po prostu gigantyczny układ fizyczny”.
Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza i wyróżnione w sekcji „Wiadomości i widoki”. Fizyka Przyrody. Teraz zespół zajmuje się nowymi pytaniami wynikającymi z badania, pracując nad lepszym zrozumieniem egzotycznych właściwości tlenku żelaza i ich znaczenia dla nas wszystkich tu na powierzchni.
„Nadal nie wiemy zbyt wiele o tym, co dzieje się wewnątrz Ziemi, dokładnie na tych głębokościach, ciśnieniach i temperaturach pomiędzy jądrem a płaszczem” – powiedział Dobrosavljevic.
Korzystając z najnowocześniejszej fizyki, aby zbadać te ekstremalne głębokości, ciśnienia i temperatury, kto wie, jakie inne niespodzianki mogą czekać.
Referencje:
„Kwantowa faza krytyczna FeO obejmuje warunki dolnego płaszcza Ziemi” Wai-Ga D. Ho, Peng Zhang, Kristjan Haule, Jennifer M. Jackson, Vladimir Dobrosavljević i Vasilije V. Dobrosavljevic, 24 kwietnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47489-w
„Podziemna krytyczność kwantowa jest teraz na topie”, Richard Brierley, 13 czerwca 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02569-y
