Billedkredit: NASA
Geologer ved University of Berkeley mener, at radioaktivt kalium kan være en betydelig varmekilde i jordens kerne. Geologerne opdagede imidlertid, at kalium kan danne en tung legering med jern under høje temperaturer og tryk, så det måske lige er sunket ned til midten af Jorden og kunne danne en lille del af kernen - men en femtedel af dens varme.
Radioaktivt kalium, der er almindeligt nok på Jorden til at gøre kaliumrige bananer til en af de "hotteste" fødevarer omkring, synes også at være en betydelig varmekilde i jordens kerne, ifølge de nylige eksperimenter fra University of California, Berkeley, geofysikere.
Radioaktivt kalium, uran og thorium menes at være de tre vigtigste varmekilder i Jordens indre bortset fra det, der genereres af dannelsen af planeten. Tilsammen holder varmen mantelen aktivt klyngende og kernen genererer et beskyttende magnetfelt.
Men geofysikere har fundet langt mindre kalium i jordens skorpe og kappe end forventet på baggrund af sammensætningen af klippede meteorer, der angiveligt dannede Jorden. Hvis den manglende kalium, som nogle har foreslået, befinder sig i jordens jernkerne, hvordan fik et element så let som kalium der, især da jern og kalium ikke blandes?
Kanani Lee, der for nylig tjente sin ph.d. fra UC Berkeley, og UC Berkeley professor i jord- og planetvidenskab Raymond Jeanloz har opdaget et muligt svar. De har vist, at kalium ved det høje tryk og temperaturer i Jordens indre kan danne en legering med jern, der aldrig før er observeret. Under planetens dannelse kunne denne kalium-jernlegering være sunket til kernen, udtømme kalium i den overliggende mantel og skorpe og tilvejebringe en radioaktiv kaliumvarmekilde ud over det, der leveres af uran og thorium i kernen.
Lee skabte den nye legering ved at presse jern og kalium mellem spidserne af to diamanter til temperaturer og tryk, der er karakteristisk for 600-700 kilometer under overfladen - 2.500 grader celsius og næsten 4 millioner pund pr. Kvadrat tomme, eller en kvart million million atmosfære tryk.
”Vores nye fund tyder på, at kernen kan indeholde så meget som 1.200 dele pr. Million kalium - lige over en tiendedel af en procent,” sagde Lee. ”Denne mængde kan virke lille og kan sammenlignes med koncentrationen af radioaktivt kalium, der naturligt findes i bananer. Kombineret over hele massen af jordens kerne kan det imidlertid være nok til at tilvejebringe en femtedel af den varme, som jorden afgiver. ”
Lee og Jeanloz vil rapportere deres fund den 10. december på den amerikanske geofysiske unionsmøde i San Francisco og i en artikel, der er accepteret til offentliggørelse i Geophysical Research Letters.
”Med et eksperiment demonstrerede Lee og Jeanloz, at kalium kan være en vigtig varmekilde for geodynamoen, tilvejebragt en vej ud af nogle besværlige aspekter af kernens termiske udvikling, og demonstrerede yderligere, at moderne computermineral mineralfysik ikke kun supplerer eksperimentelt arbejde, men at det kan give vejledning til frugtbare eksperimentelle udforskninger, ”sagde Mark Bukowinski, professor i jord- og planetvidenskab ved UC Berkeley, der forudsagde den usædvanlige legering i midten af 1970'erne.
Geofysiker Bruce Buffett fra University of Chicago advarer om, at flere eksperimenter skal gøres for at vise, at jern rent faktisk kan trække kalium væk fra silikatklipperne, der dominerer i jordens kappe.
”De beviste, at det ville være muligt at opløse kalium i flydende jern,” sagde Buffet. ”Modelfolk har brug for varme, så dette er en kilde, fordi den radiogene isotop af kalium kan producere varme, og det kan hjælpe med strømkonvektion i kernen og drive magnetfeltet. De beviste, at det kunne gå ind. Det, der er vigtigt, er, hvor meget der trækkes ud af silikatet. Der er stadig arbejde, der skal gøres ”
Hvis en betydelig mængde kalium bor i jordens kerne, ville dette opklare et vedvarende spørgsmål - hvorfor forholdet mellem kalium og uran i stenede meteoritter (chondrites), som formodentlig samles for at danne jorden, er otte gange større end den observerede forhold i jordskorpen. Selvom nogle geologer har hævdet, at den manglende kalium befinder sig i kernen, var der ingen mekanisme, hvormed den kunne have nået kernen. Andre elementer som ilt og kulstof danner forbindelser eller legeringer med jern og blev antagelig trukket ned af jern, da det sank til kernen. Men ved normal temperatur og tryk forbinder kalium sig ikke med jern.
Andre har hævdet, at det manglende kalium kogte væk i det tidlige, smeltede stadie af jordens udvikling.
Lee og Jeanloz's demonstration af, at kalium kan opløses i jern til dannelse af en legering, giver en forklaring på det manglende kalium.
”Tidligt i Jordens historie ville den indre temperatur og tryk ikke have været høj nok til at fremstille denne legering,” sagde Lee. ”Men efterhånden som flere og flere meteoritter trådte videre, ville trykket og temperaturen være steget til det punkt, hvor denne legering kunne dannes.”
Eksistensen af denne højtrykslegering blev forudsagt af Bukowinski i midten af 1970'erne. Ved hjælp af kvantemekaniske argumenter foreslog han, at højt tryk ville presse kaliums enlige ydre elektron i en lavere skal, hvilket gjorde at atomet lignede jern og dermed mere sandsynligt at legeres med jern.
Nyere kvantemekaniske beregninger ved hjælp af forbedrede teknikker, udført med Gerd Steinle-Neumann på Universit? T Bayreuths Bayerisches Geoinstit? T, bekræftede de nye eksperimentelle målinger.
"Dette gentager og verificerer de tidligere beregninger for 26 år siden og giver en fysisk forklaring på vores eksperimentelle resultater," sagde Jeanloz.
Jorden menes at have dannet sig fra kollisionen af mange stenede asteroider, måske hundreder af kilometer i diameter, i det tidlige solsystem. Efterhånden som proto-Jorden gradvist fyldte sammen, holdt vedvarende asteroide-kollisioner og gravitations-sammenbrud planeten smeltet. Tyngre elementer? især jern - ville have sunket til kernen på 10 til 100 millioner år og bære med sig andre elementer, der binder til jern.
Efterhånden ville Jorden imidlertid være afkølet og blevet en død klippeklod med en kold jernkugle i kernen, hvis ikke for den fortsatte frigivelse af varme ved forfald af radioaktive elementer som kalium-40, uran-238 og thorium-232 , der har halveringstider på henholdsvis 1,25 milliarder, 4 og 14 milliarder år. Cirka en ud af hver tusinde kaliumatomer er radioaktive.
Varmen, der genereres i kernen, gør jernet til en konvektionsdynamo, der opretholder et magnetfelt, der er stærkt nok til at beskytte planeten mod solvinden. Denne varme lækker ud i mantlen og forårsager konvektion i klippen, der bevæger skorpelplader og brænder vulkaner.
At afbalancere varmen, der genereres i kernen, med de kendte koncentrationer af radiogene isotoper har imidlertid været vanskelig, og det manglende kalium har været en stor del af problemet. En forsker foreslog tidligere i år, at svovl kunne hjælpe kalium med at forbinde sig med jern og tilvejebringe et middel, til hvilket kalium kunne nå kernen.
Eksperimentet af Lee og Jeanloz viser, at svovl ikke er nødvendigt. Lee kombinerede rent jern og rent kalium i en diamant-amboltcelle og pressede den lille prøve til 26 gigapascals af tryk, mens den opvarmede prøven med en laser over 2.500 Kelvin (4.000 grader Fahrenheit), som er over smeltepunkterne for både kalium og jern. Hun udførte dette eksperiment seks gange i højintensive røntgenstråler fra to forskellige acceleratorer - Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source og Stanford Synchrotron Radiation Laboratory - for at få røntgenstrålediffraktionsbilleder af prøvernes interne struktur. Billederne bekræftede, at kalium og jern var blandet jævnt for at danne en legering, meget som jern og kulstofblanding til dannelse af stållegering.
I det teoretiske magmahav på en proto-jord ville trykket i en dybde på 400-1.000 kilometer (270-670 miles) være mellem 15 og 35 gigapascals, og temperaturen ville være 2.200-3.000 Kelvin, sagde Jeanloz.
”Ved disse temperaturer og tryk ændrer den underliggende fysik sig, og elektrontætheden skifter, hvilket får kalium til at se mere ud som jern,” sagde Jeanloz. ”Ved højt tryk ser periodiske tabeller helt anderledes ud.”
”Arbejdet med Lee og Jeanloz giver det første bevis på, at kalium faktisk er blandbart i jern ved høje tryk, og måske lige så markant, det berettiger yderligere den beregningsfysik, der ligger til grund for den oprindelige forudsigelse,” sagde Bukowinski. ”Hvis det kan demonstreres yderligere, at kalium ville trænge ind i jern i betydelige mængder i nærvær af silikatmineraler, forhold, der er repræsentative for sandsynlige kernedannelsesprocesser, kunne kalium give den ekstra varme, der er nødvendig for at forklare, hvorfor Jordens indre kerne ikke har frosset til så stor størrelse som kernens termiske historie antyder, at den skal. ”
Jeanloz er begejstret over, at teoretiske beregninger nu ikke kun forklarer eksperimentelle fund ved højt tryk, men også forudsiger strukturer.
”Vi har brug for teoretikere for at identificere interessante problemer, ikke kun tjekke vores resultater efter eksperimentet,” sagde han. ”Det sker nu. I løbet af et halvt dusin år har teoretikere lavet forudsigelser om, at eksperimentelle er villige til at bruge et par år på at demonstrere. ”
Arbejdet blev finansieret af National Science Foundation og Department of Energy.
Original kilde: University of Berkeley News Release
