Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Μια νέα, εντυπωσιακή έρευνα από το Ινστιτούτο Επιστήμης του Τόκιο αποκαλύπτει ένα καλά κρυμμένο μυστικό: στα έγκατα της Γης η ύλη μεταμορφώνεται και εισέρχεται σε μια παράξενη, «υπερ-ιονική» κατάσταση.
- Εκεί, ο σίδηρος παραμένει στερεός, αλλά τα ελαφρύτερα στοιχεία ρέουν μέσα του σαν υγρό, δημιουργώντας ένα απόκοσμο περιβάλλον που επαναπροσδιορίζει όλα όσα ξέραμε για το εσωτερικό του πλανήτη μας.
- Τα ευρήματα, που αποτελούν την πρώτη πειραματική απόδειξη αυτής της κατάστασης, αναμένεται να συμβάλουν στη διαλεύκανση των ανωμαλιών των σεισμικών κυμάτων και στην κατανόηση της εξέλιξης του εσωτερικού της Γης.
Στα βάθη του πλανήτη μας, εκεί όπου η πίεση και η θερμότητα αγγίζουν αδιανόητα όρια, οι νόμοι της φυσικής όπως τους γνωρίζουμε στην επιφάνεια φαίνεται να ανατρέπονται.
Για δεκαετίες, ο εσωτερικός πυρήνας της Γης θεωρούνταν μια συμπαγής, σιδερένια «μπάλα», όμως μια νέα, εντυπωσιακή έρευνα από το Ινστιτούτο Επιστήμης του Τόκιο έρχεται να αποκαλύψει ένα καλά κρυμμένο μυστικό.
Πειράματα σε συνθήκες ακραίας προσομοίωσης δείχνουν ότι στα έγκατα της Γης η ύλη μεταμορφώνεται και εισέρχεται σε μια παράξενη, «υπερ-ιοντική» κατάσταση.
Εκεί, ο σίδηρος παραμένει στερεός, αλλά τα ελαφρύτερα στοιχεία ρέουν μέσα του σαν υγρό, δημιουργώντας ένα απόκοσμο περιβάλλον που επαναπροσδιορίζει όλα όσα ξέραμε για το εσωτερικό του πλανήτη μας.
Πειράματα υπό ακραίες συνθήκες υποδηλώνουν ότι το υδρίδιο του σιδήρου μπορεί να μεταβεί σε μια υπεριοντική κατάσταση, επιτρέποντας στο υδρογόνο να κινείται μέσα από ένα στερεό πλέγμα σιδήρου.
Βαθιά κάτω από την επιφάνεια της Γης, ο εσωτερικός πυρήνας συμπιέζεται και θερμαίνεται σε συνθήκες τόσο ακραίες, που ορισμένα από τα συστατικά του ενδέχεται να συμπεριφέρονται με απροσδόκητο τρόπο.
Πειράματα από ερευνητές του Science Tokyo (Ινστιτούτο Επιστήμης του Τόκιο) υποδηλώνουν ότι το υδρίδιο του σιδήρου μπορεί να εισέλθει σε μια υπεριοντική κατάσταση, κατά την οποία η δομή του σιδήρου παραμένει στερεή, ενώ το υδρογόνο κινείται μέσα από αυτήν. Τα αποτελέσματα προσφέρουν νέα στοιχεία για τη σύσταση και τη συμπεριφορά των βαθύτερων στρωμάτων στο εσωτερικό της Γης.
Ο εσωτερικός πυρήνας της Γης αποτελείται κυρίως από σίδηρο αναμεμειγμένο με μια μικρή αναλογία ελαφρύτερων στοιχείων. Υπό τις τεράστιες πιέσεις και θερμοκρασίες που επικρατούν εκεί, προβλέπεται ότι τα κράματα που περιέχουν στοιχεία όπως το υδρογόνο, το οξυγόνο και ο άνθρακας γίνονται υπεριοντικά.
Σε αυτή την ασυνήθιστη κατάσταση της ύλης, τα άτομα του σιδήρου παραμένουν σχεδόν σε σταθερές θέσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα, ενώ τα ελαφρύτερα άτομα κινούνται μέσα σε αυτή τη δομή σχεδόν σαν υγρό.
Αυτή η κινητικότητα θα μπορούσε επίσης να μειώσει την αντίσταση του κράματος στη διάτμηση (να το κάνει πιο «μαλακό»), μια ιδιότητα με δυνητική γεωφυσική σημασία, καθώς μπορεί να βοηθήσει στην εξήγηση της ασυνήθιστα χαμηλής ταχύτητας των σεισμικών κυμάτων διάτμησης (δευτερευόντων κυμάτων S) μέσα από τον εσωτερικό πυρήνα.
Μέχρι τώρα, ωστόσο, οι ενδείξεις για αυτή την εξήγηση προέρχονταν κυρίως από προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής και όχι από άμεσα πειράματα.
Από τη θεωρία στην πράξη: Τα πειράματα φέρνουν στο φως την αδιαμφισβήτητη απόδειξη
Ερευνητές από το Ινστιτούτο Επιστήμης του Τόκιο (Science Tokyo) στην Ιαπωνία εντόπισαν τώρα ισχυρές πειραματικές ενδείξεις ότι το εδροκεντρωμένο κυβικό (fcc) υδρίδιο του σιδήρου (FeHX) —ένα κράμα σιδήρου με ελαφρύ στοιχείο— μεταβαίνει σε υπεριοντική κατάσταση υπό τις συνθήκες υψηλής πίεσης και υψηλής θερμοκρασίας που αντιστοιχούν στον εσωτερικό πυρήνα της Γης.
Η εργασία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Geoscience.
Οι διδακτορικοί φοιτητές Yoshihiro Nagaya και Yusuke Okazaki ηγήθηκαν της μελέτης μαζί με τον καθηγητή Kenji Ohta από το Τμήμα Επιστημών της Γης και των Πλανητών του Science Tokyo.
«Επειδή η υπεριοντική κατάσταση των κραμάτων σιδήρου με ελαφρά στοιχεία υφίσταται μόνο υπό συνθήκες εξαιρετικά υψηλής πίεσης και εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας, δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν πειραματικά.
Το FeHX αναμένεται να υιοθετεί είτε μια εξαγωνική πυκνή δομή είτε μια εδροκεντρωμένη κυβική (fcc) δομή υπό τις συνθήκες του εσωτερικού πυρήνα, ανάλογα με την περιεκτικότητα σε υδρογόνο», δηλώνει ο Ohta.
Για να παρακολουθήσουν πώς άλλαζε το υλικό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν περίθλαση ακτίνων Χ σε σύγχροτρο με χρονική ανάλυση (XRD), ώστε να καταγράψουν το κρυσταλλικό του πλέγμα καθώς αυξάνονταν η πίεση και η θερμοκρασία.
Μικροσκοπικά δείγματα εδροκεντρωμένου κυβικού (fcc) FeHX συμπιέστηκαν στο εσωτερικό μιας κυψέλης διαμαντένιου άκμονα σε πιέσεις μεταξύ 50 και 110 gigapascal, και στη συνέχεια θερμάνθηκαν με λέιζερ σε θερμοκρασίες που ξεπερνούσαν τους 2.000 Kelvin.
Οι μετρήσεις των μεταβολών στο κρυσταλλικό πλέγμα επέτρεψαν στους ερευνητές να υπολογίσουν πώς ανταποκρινόταν ο όγκος του καθώς το υδρογόνο εισερχόταν στη δομή του σιδήρου.
Η στιγμή της τήξης: Η θέρμανση με λέιζερ ξεκλειδώνει την υπεριοντική μετάβαση
Κοντά στους 1.590 Kelvin, οι ερευνητές εντόπισαν μια χαρακτηριστική ανωμαλία σχήματος λ (λάμδα) στον συντελεστή θερμικής διαστολής, ένα γνώρισμα που σχετίζεται με τις φάσεις μετάβασης και έχει παρατηρηθεί στο παρελθόν σε άλλα υπεριοντικά υλικά.
Η καταγραφή αυτού του χαρακτηριστικού σε διαφορετικές πιέσεις τούς επέτρεψε να χαρτογραφήσουν το όριο ανάμεσα στην κοινή στερεή και την υπεριοντική μορφή του FeHX.
Όταν οι ερευνητές επέκτειναν αυτό το όριο στις πιέσεις που αναμένονται στον εσωτερικό πυρήνα της Γης, η προβλεπόμενη θερμοκρασία μετάβασης παρέμεινε πολύ χαμηλότερη από τις εκτιμώμενες θερμοκρασίες του εσωτερικού πυρήνα, υποδηλώνοντας ότι το FeHX θα μπορούσε να είναι υπεριοντικό εκεί.Ένα δεύτερο σύνολο πειραμάτων XRD με χρονική ανάλυση έλεγξε εάν το υδρογόνο γινόταν πράγματι κινητικό.
Υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης, οι ερευνητές εφάρμοσαν μια σταθερή ηλεκτρική τάση στα δείγματα και παρατήρησαν μια ξαφνική αλλαγή στην περιεκτικότητα του FeHX σε υδρογόνο.
Αφού έψυξαν γρήγορα το υλικό πίσω σε θερμοκρασία δωματίου, διαπίστωσαν ότι το υδρογόνο είχε ανακατανεμηθεί κατά μήκος μιας κατεύθυνσης, γεγονός που αποδεικνύει ότι είχε αποκτήσει εξαιρετικά υψηλή κινητικότητα κατά την υπεριοντική κατάσταση.
Με βάση τη γεωμετρία του δείγματος και την εφαρμοζόμενη τάση, εκτίμησαν την κινητικότητα του υδρογόνου σε περίπου 1 µm²J⁻¹s⁻¹, που αντιστοιχεί σε συντελεστή διάχυσης περίπου 10³ µm²s⁻¹.
Παγιδευμένη ελευθερία: Το κινητικό υδρογόνο παραμένει «δέσμιο» στον πυρήνα
Παρά την απότομη αύξηση της κινητικότητας του υδρογόνου κατά την υπεριοντική μετάβαση, η μετακίνησή του υπό τις πραγματικές συνθήκες του εσωτερικού πυρήνα θα εξακολουθούσε να είναι εξαιρετικά περιορισμένη.
Οι ερευνητές εκτίμησαν ότι η μετατόπιση που καθοδηγείται από το γεωμαγνητικό πεδίο της Γης θα μετακινούσε το υδρογόνο κατά μόλις 0,1 μικρόμετρο (µm) σε διάστημα 10.000 ετών.
Με αυτόν τον ρυθμό, το υδρογόνο θα χρειαζόταν περισσότερο από 100 φορές την ηλικία της Γης για να διανύσει μια απόσταση συγκρίσιμη με την ακτίνα του εσωτερικού πυρήνα, η οποία είναι περίπου 1.200 χιλιόμετρα.
Το αποτέλεσμα αυτό υποδηλώνει ότι το υδρογόνο που ενσωματώθηκε στον πλανήτη κατά τον σχηματισμό του θα μπορούσε να παραμείνει παγιδευμένο στο εσωτερικό του πυρήνα σε βάθος γεωλογικών χρόνων.
Τα πειράματα ενδέχεται να βοηθήσουν τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα τις διεργασίες στο εσωτερικό του πυρήνα της Γης και να βελτιώσουν τα μοντέλα που περιγράφουν πώς σχηματίστηκε και πώς άλλαξε ο πυρήνας με την πάροδο του χρόνου.
«Αυτά τα ευρήματα αναμένεται να συμβάλουν στη διαλεύκανση των ανωμαλιών της ταχύτητας των σεισμικών κυμάτων στον εσωτερικό πυρήνα της Γης, καθώς και στην κατανόηση της εξέλιξης του εσωτερικού του πλανήτη μας», δηλώνει ο Ohta.