Bildkredit: NASA
Geologer vid University of Berkeley tror att radioaktivt kalium kan vara en betydande värmekälla i jordens kärna. Geologerna upptäckte emellertid att kalium kan bilda en tung legering med järn under höga temperaturer och tryck, så det kanske bara sjunkit till mitten av jorden och kan bilda en liten del av kärnan - men en femtedel av dess värme.
Radioaktivt kalium, vanligt nog på jorden för att göra kaliumrika bananer till en av de "hetaste" matarna runt, verkar också vara en betydande värmekälla i jordens kärna, enligt senaste experiment från University of California, Berkeley, geofysiker.
Radioaktivt kalium, uran och thorium tros vara de tre huvudsakliga värmekällorna i jordens inre, bortsett från det som genereras av planets bildning. Tillsammans håller värmen manteln aktivt och kärnan genererar ett skyddande magnetfält.
Men geofysiker har hittat mycket mindre kalium i jordens skorpa och mantel än vad som kunde förväntas baserat på sammansättningen av steniga meteorer som förmodligen bildade jorden. Om, som vissa har föreslagit, den saknade kaliumen finns i jordens järnkärna, hur kom ett element så ljust som kalium dit, särskilt eftersom järn och kalium inte blandas?
Kanani Lee, som nyligen tjänade sin doktorsexamen. från UC Berkeley och UC Berkeley professor i jord- och planetvetenskap Raymond Jeanloz har upptäckt ett möjligt svar. De har visat att kalium kan bilda en legering med järn som aldrig tidigare observerats vid höga tryck och temperaturer i jordens inre. Under planetens bildning kan denna kaliumjärnlegering ha sjunkit till kärnan, tappat ut kalium i den överliggande manteln och skorpan och tillhandahållit en radioaktiv kaliumvärmekälla utöver den som tillförs uran och torium i kärnan.
Lee skapade den nya legeringen genom att pressa järn och kalium mellan spetsarna av två diamanter till temperaturer och tryck som är karakteristiska för 600-700 kilometer under ytan - 2500 grader Celsius och nästan 4 miljoner pund per kvadrat tum, eller en kvart miljon gånger atmosfärisk tryck.
"Våra nya resultat tyder på att kärnan kan innehålla så mycket som 1 200 delar per miljon kalium - bara över en tiondel av en procent," sade Lee. ”Denna mängd kan verka liten och är jämförbar med koncentrationen av radioaktivt kalium som är naturligt närvarande i bananer. Kombinerat över hela massan av jordens kärna kan det dock räcka för att tillhandahålla en femtedel av värmen som avges av jorden. "
Lee och Jeanloz kommer att rapportera sina resultat den 10 december, vid American Geophysical Union-mötet i San Francisco och i en artikel som accepteras för publicering i Geophysical Research Letters.
”Med ett experiment visade Lee och Jeanloz att kalium kan vara en viktig värmekälla för geodynamot, tillhandahöll en väg ut från några besvärliga aspekter av kärnans termiska utveckling, och visade vidare att modern beräkningsmineral mineralfysik inte bara kompletterar experimentellt arbete, utan att det kan ge vägledning till fruktbara experimentella utforskningar, ”sade Mark Bukowinski, professor i jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley, som förutspådde den ovanliga legeringen i mitten av 1970-talet.
Geofysiker Bruce Buffett från University of Chicago varnar för att fler experiment måste göras för att visa att järn faktiskt kan dra kalium bort från silikatbergarter som dominerar i jordens mantel.
"De bevisade att det skulle vara möjligt att lösa upp kalium i flytande järn," sade Buffet. "Modeller behöver värme, så det här är en källa, eftersom den radiogeniska isotopen av kalium kan producera värme och det kan hjälpa till kraftkonvektion i kärnan och driva magnetfältet. De bevisade att det kunde gå in. Det som är viktigt är hur mycket som dras ur silikatet. Det finns fortfarande arbete att göra ”
Om en betydande mängd kalium finns i jordens kärna, skulle detta rensa upp en långvarig fråga - varför förhållandet kalium till uran i steniga meteoriter (kondriter), som förmodligen sammansmälts för att bilda jorden, är åtta gånger större än de observerade förhållandet i jordskorpan. Även om vissa geologer har hävdat att det saknade kaliumet finns i kärnan, fanns det ingen mekanism genom vilken den kunde ha nått kärnan. Andra element som syre och kol bildar föreningar eller legeringar med järn och förmodligen drogs ner av järn när det sjönk till kärnan. Men vid normal temperatur och tryck förknippas kalium inte med järn.
Andra har hävdat att den saknade kalium kokade bort under det tidiga, smälta stadiet av jordens utveckling.
Lee och Jeanloz demonstration av att kalium kan upplösas i järn för att bilda en legering ger en förklaring till det saknade kaliumet.
"Tidigt i jordens historia skulle den inre temperaturen och trycket inte ha varit tillräckligt högt för att göra denna legering," sade Lee. "Men när fler och fler meteoriter staplade på skulle trycket och temperaturen ha ökat till den punkt där denna legering kunde bildas."
Förekomsten av denna högtryckslegering förutsades av Bukowinski i mitten av 1970-talet. Med hjälp av kvantmekaniska argument föreslog han att högt tryck skulle pressa kaliums ensamma yttre elektron i ett nedre skal, vilket skulle göra att atomen liknar järn och därmed mer sannolikt att legering med järn.
Nyare kvantmekaniska beräkningar med förbättrade tekniker, utförda med Gerd Steinle-Neumann vid Universit? T Bayreuths Bayerisches Geoinstit? T, bekräftade de nya experimentmätningarna.
"Detta replikerar och verifierar verkligen de tidigare beräkningarna för 26 år sedan och ger en fysisk förklaring till våra experimentella resultat," sa Jeanloz.
Jorden tros ha bildats från kollisionen av många steniga asteroider, kanske hundratals kilometer i diameter, i det tidiga solsystemet. När proto-jorden gradvis samlades upp, fortsatte asteroide-kollisioner och gravitations kollaps höll planeten smält. Tyngre element? i synnerhet järn - skulle ha sjunkit till kärnan på 10 till 100 miljoner år och ha med sig andra element som binder till järn.
Gradvis skulle jorden dock ha svalnat och blivit en död stenig jordklot med en kall järnkula i kärnan om inte för den fortsatta frisläppningen av värme genom förfall av radioaktiva element som kalium-40, uran-238 och thorium-232 , som har halveringstider på 1,25 miljarder respektive 4 och 14 miljarder år. Cirka en av tusen kaliumatomer är radioaktiva.
Värmen som genereras i kärnan förvandlar järnet till en konvektionsdynamo som upprätthåller ett magnetfält som är tillräckligt starkt för att skydda planeten från solvinden. Denna värme läcker ut i manteln och orsakar konvektion i berget som rör skorpplattor och bränslar vulkaner.
Att balansera värmen som genererats i kärnan med de kända koncentrationerna av radiogeniska isotoper har emellertid varit svårt, och det saknade kaliumet har varit en stor del av problemet. En forskare föreslog tidigare i år att svavel skulle hjälpa kalium att associera sig med järn och tillhandahålla ett sätt på vilket kalium skulle kunna nå kärnan.
Experimentet av Lee och Jeanloz visar att svavel inte är nödvändigt. Lee kombinerade rent järn och rent kalium i en diamantstädcell och pressade det lilla provet till 26 gigapascals av tryck medan han upphettade provet med en laser över 2500 Kelvin (4000 grader Fahrenheit), som ligger över smältpunkten för både kalium och järn. Hon genomförde detta experiment sex gånger i högintensiva röntgenstrålar från två olika acceleratorer - Lawrence Berkeley National Laboratory Advanced Light Source och Stanford Synchrotron Radiation Laboratory - för att få röntgendiffraktionsbilder av provernas interna struktur. Bilderna bekräftade att kalium och järn blandats jämnt för att bilda en legering, precis som järn och kolblandning för att bilda stållegering.
I det teoretiska magmahavet på en proto-Earth skulle trycket på ett djup av 400-1000 kilometer (270-670 miles) vara mellan 15 och 35 gigapascals och temperaturen skulle vara 2.200-3.000 Kelvin, sa Jeanloz.
"Vid dessa temperaturer och tryck förändras den underliggande fysiken och elektrondensiteten förskjuts, vilket gör att kalium ser mer ut som järn," sa Jeanloz. "Vid högt tryck ser det periodiska systemet helt annorlunda ut."
"Arbetet av Lee och Jeanloz ger det första beviset på att kalium verkligen är blandbart i järn vid höga tryck och, kanske lika viktigt, det berättigar ytterligare beräkningsfysiken som ligger till grund för den ursprungliga förutsägelsen," sade Bukowinski. "Om det kan demonstreras ytterligare att kalium skulle komma in järn i betydande mängder i närvaro av silikatmineraler, förhållanden som är representativa för troliga kärnbildningsprocesser, kan kalium ge den extra värmen som behövs för att förklara varför jordens inre kärna inte har fryst en så stor storlek som kärnans termiska historia antyder att den borde göra. ”
Jeanloz är upphetsad över det faktum att teoretiska beräkningar nu inte bara förklarar experimentella fynd vid högt tryck, utan också förutsäger strukturer.
"Vi behöver teoretiker för att identifiera intressanta problem, inte bara kontrollera våra resultat efter experimentet," sade han. "Det händer nu. Under det senaste halvtussinet har teoretiker gjort förutsägelser om att experimentalister är villiga att spendera några år för att demonstrera. ”
Arbetet finansierades av National Science Foundation och Energy Department.
Originalkälla: University of Berkeley News Release
