Jernatomer i jordens indre kjerne er i bevegelse – Physics World

Jernatomer i jordens indre kjerne er i bevegelse – Physics World

Tidsstempel: 29. november 2023, kl

Graf som viser grupper av jernatomer som beveger seg raskt i et modellsystem, og endrer deres plass i det metalliske gitteret mens de opprettholder dens totale sekskantede struktur
En modell av jernatomer på bevegelse i jordens indre kjerne. Modellen demonstrerer hvordan jernatomer forventes å bevege seg rundt i jordens indre kjerne over 10 picosekunder, eller 10 billioner av et sekund. (Med tillatelse: Zhang et al.)

Jernatomer i midten av jorden beveger seg mye raskere enn man tidligere har trodd, sier forskere i USA og Kina. Funnene, som er basert på maskinlæringsassisterte simuleringer av forholdene i jordens solide indre kjerne, kan kaste nytt lys over kjernens seismiske og geodynamiske egenskaper, som ikke er fullt ut forstått.

Jordens indre kjerne består hovedsakelig av fast jern, og den har flere spennende egenskaper. For det første er hastigheten til skjærbølger - elastiske bølger som beveger seg gjennom kroppen til et materiale - i kjernen eksepsjonelt lav. Kjernen har også et ekstremt høyt Poisson-forhold, som er et mål på hvor lett den ekspanderer i en retning vinkelrett på kompresjonsretningen; ved 0.45 er kjernens Poisson-forhold nærmere det for en væske eller et elastisk materiale som gummi (0.5) enn det er til stål eller støpejern (0.21-0.31).

Kunstig intelligens-assistert tilnærming

For å avdekke de fysiske mekanismene som er ansvarlige for disse uvanlige funksjonene, ledet forskere av Jung-Fu Lin på University of Texas ved Austin's School of Geosciences begynte med å bruke maskinlæringsberegninger for å simulere oppførselen til titusenvis av jernatomer under de ekstremt høye temperaturene og trykket som råder i den indre kjernen. Denne kunstig intelligens-assisterte tilnærmingen tillot dem å pålitelig forutsi bevegelsen til jernatomene under disse forholdene.

Deretter bekreftet de disse simuleringene med en serie eksperimenter som gjenskapte de ekstremt høye temperaturene og trykket i jordens indre kjerne. Ved å skyte et raskt bevegelig prosjektil på en liten jernplate og måle de resulterende sjokkbølgene, var de i stand til å beregne lydhastigheten i jernatomer under indre kjerneforhold.

Kollektiv jernatombevegelse

Selv om jernatomer i den indre kjernen antas å være arrangert i et repeterende sekskantet tettpakket mønster, fant forskerne at grupper av jernatomer i modellsystemene deres fortsatt kan bevege seg raskt, og endrer deres plass i det metalliske gitteret samtidig som den totale sekskanten opprettholdes. struktur. Ifølge teamet kan denne kollektive bevegelsen forklare hvorfor seismiske målinger av den indre kjernen avslører et miljø med mye lavere skjærbølgehastighet og et høyere Poisson-forhold som kan forventes ved så høye temperaturer og trykk.

"Den store oppdagelsen vi har funnet er at fast jern blir overraskende mykt dypt inne i jorden fordi atomene kan bevege seg mye mer enn vi noen gang hadde forestilt oss," forklarer teammedlem Youjun Zhang ved Sichuan University. "Denne økte bevegelsen gjør den indre kjernen mindre stiv [og] svakere mot skjærkrefter."

I tillegg til å forklare den eksepsjonelt lave skjærbølgehastigheten og det ultrahøye Poisson-forholdet til den indre kjernen, er resultatet, som er beskrevet i PNAS, kan også kaste lys over hvordan den indre kjernen hjelper til med å drive jordas geodynamo. Energien fra denne dynamoen genererer planetens magnetfelt – en viktig komponent for å gjøre den beboelig, siden den beskytter liv mot skadelig ioniserende stråling i verdensrommet.

Forskerne planlegger nå å utvide studien til nylig oppdagede eksoplanetariske interiører. "Vi tar også sikte på å undersøke effekten på kollektiv atombevegelse på en rekke andre egenskaper som er avgjørende for vår forståelse av den dype jorden," forteller Lin Fysikkens verden.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden