Jorden har måske opgivet sine inderste hemmeligheder til et par Californiske geokemister, der har brugt omfattende computersimuleringer til at dele den tidligste historie om vores planetes kerne.
Dette skema af Jordens skorpe og mantel viser resultaterne af deres undersøgelse, der fandt ekstreme tryk ville have koncentreret jerns tyngre isotoper nær bunden af mantelen, da det krystalliserede fra et magmahav.
Ved at bruge en supercomputer til praktisk talt at klemme og opvarme jernholdige mineraler under forhold, der ville have eksisteret, da Jorden krystalliserede fra et magmahav til sin faste form for 4,5 milliarder år siden, blev de to videnskabsfolk - fra University of California i Davis - har produceret det første billede af, hvordan forskellige isotoper af jern oprindeligt blev distribueret på den faste jord.
Opdagelsen kunne indlede en bølge af undersøgelser af udviklingen af Jordens mantel, et lag af materiale omkring 800 kilometer dybt, der strækker sig lige lige under planetens tynde skorpe til dens metalliske kerne.
”Nu hvor vi har en idé om, hvordan disse isotoper af jern oprindeligt blev distribueret på Jorden,” sagde hovedundersøgelsesforfatter James Rustad, ”vi burde være i stand til at bruge isotoperne til at spore den indre funktion af Jordens motor.”
Et papir, der beskrev Rustad og medforfatterens undersøgelse Qing-zhu Yin, blev udgivet online af tidsskriftetNaturgeovidenskab søndag 14. juni i forvejen til trykt publikation i juli.
Den enorme mantel, der er fastklemt mellem Jordens skorpe og kerne, tegner sig for cirka 85 procent af planetens volumen. På en menneskelig tidsskala ser denne enorme del af vores orb ud til at være solid. Men over millioner af år får varme fra den smeltede kerne og kappens eget radioaktive forfald den langsomt til at klynge, som tyk suppe over en lav flamme. Denne cirkulation er drivkraften bag overfladen bevægelse af tektoniske plader, der bygger bjerge og forårsager jordskælv.
En kilde til information, der giver indsigt i fysikken i denne viskøse masse, er de fire stabile former eller isotoper af jern, der kan findes i klipper, der er steget til jordoverfladen ved midthavsryge, hvor havbunden spreder sig og på hotspots som Hawaiis vulkaner, der ryger op gennem jordskorpen. Geologer har mistanke om, at noget af dette materiale stammer fra grænsen mellem mantelen og kernen, der er ca. 1.800 mil under overfladen.
”Geologer bruger isotoper til at spore fysisk-kemiske processer i naturen, som biologer bruger DNA til at spore udviklingen i livet,” sagde Yin.
Fordi sammensætningen af jernisotoper i klipper varierer afhængigt af tryk og temperaturforholdene under hvilke en klippe blev skabt, sagde Yin i princippet geologer kunne bruge jernisotoper i klipper samlet på varme steder rundt omkring i verden for at spore mantelens geologiske historie . Men for at gøre det, skulle de først vide, hvordan isotoperne oprindeligt blev distribueret i Jordens primordiale magmahav, når det afkøles og hærdet.
Yin og Rustad undersøgte, hvordan de konkurrerende effekter af ekstremt tryk og temperatur dybt inde i Jordens indre ville have påvirket mineraler i den nedre mantel, den zone, der strækker sig fra omkring 400 mil under planetens skorpe til kernemantelgrænsen. Temperaturer op til 4.500 grader Kelvin i regionen reducerer de isotopiske forskelle mellem mineraler til et minimalt niveau, mens knusningstryk har en tendens til at ændre den grundlæggende form for selve jernatom, et fænomen kendt som elektronisk spin-overgang.
Parret beregnet jernisotopsammensætningen af to mineraler under en række temperaturer, tryk og forskellige elektroniske spin-tilstande, som det nu vides at forekomme i den nedre mantel. De to mineraler, ferroperovskite og ferropericlase, indeholder stort set alt jern, der forekommer i denne dybe del af Jorden.
Beregningerne var så komplekse, at hver serie Rustad og Yin løb gennem computeren krævede en måned at gennemføre.
Yin og Rustad bestemte, at ekstreme tryk ville have koncentreret jerns tyngre isotoper nær bunden af den krystalliserende mantel.
Forskerne planlægger at dokumentere variationen af jernisotoper i rene kemikalier udsat for temperaturer og tryk i laboratoriet, hvilket svarer til dem, der findes ved kerne-mantelgrænsen. Til sidst, sagde Yin, håber de at se deres teoretiske forudsigelser verificeret i geologiske prøver genereret fra den nedre mantel.
Kilde: Eurekalert
