Jernatomer i Jordens indre kerne er på vej – Physics World

Jernatomer i Jordens indre kerne er i bevægelse – Physics World

Tidsstempel: 29. november 2023 kl. 9

Graf, der viser grupper af jernatomer, der bevæger sig hurtigt i et modelsystem og ændrer deres plads i det metalliske gitter, mens dets overordnede sekskantede struktur bevares
En model af jernatomer på vej i Jordens indre kerne. Modellen demonstrerer, hvordan jernatomer forventes at bevæge sig rundt i Jordens indre kerne over 10 picosekunder eller 10 billioner af et sekund. (Med høflighed: Zhang et al.)

Jernatomer i Jordens centrum bevæger sig meget hurtigere, end man tidligere har troet, siger forskere i USA og Kina. Fundene, som er baseret på maskinlæringsassisterede simuleringer af forholdene i Jordens faste indre kerne, kunne kaste nyt lys over kernens seismiske og geodynamiske egenskaber, som ikke er fuldt ud forstået.

Jordens indre kerne består hovedsageligt af fast jern, og den har flere spændende egenskaber. For det første er hastigheden af ​​forskydningsbølger - elastiske bølger, der bevæger sig gennem kroppen af ​​et materiale - i kernen usædvanlig lav. Kernen har også et ekstremt højt Poissons forhold, som er et mål for, hvor let den udvider sig i en retning vinkelret på kompressionsretningen; ved 0.45 er kernens Poisson-forhold tættere på det for en væske eller et strækbart materiale, såsom gummi (0.5), end det er i forhold til stål eller støbejern (0.21-0.31).

Kunstig intelligens-assisteret tilgang

For at afdække de fysiske mekanismer, der er ansvarlige for disse usædvanlige træk, har forskere ledet af Jung-Fu Lin ved University of Texas ved Austin's School of Geosciences begyndte med at bruge maskinlæringsberegninger til at simulere titusindvis af jernatomers adfærd under de ekstremt høje temperaturer og tryk, der hersker i den indre kerne. Denne kunstig intelligens-assisterede tilgang tillod dem pålideligt at forudsige jernatomernes bevægelse under disse forhold.

Dernæst bekræftede de disse simuleringer med en række eksperimenter, der genskabte de ekstremt høje temperaturer og tryk i Jordens indre kerne. Ved at affyre et hurtigt bevægende projektil på en lille jernplade og måle de resulterende stødbølger, var de i stand til at beregne lydens hastighed i jernatomer under indre kerneforhold.

Kollektiv jernatombevægelse

Selvom jernatomer i den indre kerne menes at være arrangeret i et gentaget hexagonalt tætpakket mønster, fandt forskerne ud af, at grupper af jernatomer i deres modelsystemer stadig kan bevæge sig hurtigt og ændre deres plads i det metalliske gitter, samtidig med at den overordnede hexagonale bibeholdes. struktur. Ifølge holdet kunne denne kollektive bevægelse forklare, hvorfor seismiske målinger af den indre kerne afslører et miljø med en meget lavere forskydningsbølgehastighed og et højere Poisson-forhold, som ville forventes ved så høje temperaturer og tryk.

"Den store opdagelse, vi har fundet, er, at fast jern bliver overraskende blødt dybt inde i Jorden, fordi dets atomer kan bevæge sig meget mere, end vi nogensinde havde forestillet os," forklarer teammedlem Youjun Zhang fra Sichuan Universitet. "Denne øgede bevægelse gør den indre kerne mindre stiv [og] svagere mod forskydningskræfter."

Ud over at forklare den usædvanligt lave forskydningsbølgehastighed og ultrahøje Poissons forhold mellem den indre kerne, er resultatet, som er beskrevet i PNAS, kunne også kaste lys over, hvordan den indre kerne hjælper med at drive Jordens geodynamo. Energien fra denne dynamo genererer vores planets magnetfelt – en vigtig komponent for at gøre den beboelig, da den beskytter liv mod skadelig ioniserende stråling i rummet.

Forskerne planlægger nu at udvide deres undersøgelse til nyligt opdagede exoplanetariske interiører. "Vi sigter også på at undersøge effekten på kollektiv atombevægelse på en række andre egenskaber, der er essentielle for vores forståelse af den dybe jord," fortæller Lin Fysik verden.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden