Atomy żelaza w wewnętrznym jądrze Ziemi są w ruchu – Świat Fizyki

Atomy żelaza w wewnętrznym jądrze Ziemi są w ruchu – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 29 listopada 2023 9:00

Wykres przedstawiający grupy atomów żelaza poruszające się szybko w układzie modelowym, zmieniające swoje miejsce w sieci metalicznej, zachowując jednocześnie jej ogólną strukturę sześciokątną
Model atomów żelaza w ruchu w wewnętrznym jądrze Ziemi. Model pokazuje, w jaki sposób atomy żelaza powinny poruszać się w wewnętrznym jądrze Ziemi w ciągu 10 pikosekund, czyli 10 bilionowych części sekundy. (Dzięki uprzejmości: Zhang i in.)

Atomy żelaza w centrum Ziemi poruszają się znacznie szybciej, niż wcześniej sądzono, twierdzą badacze z USA i Chin. Odkrycia, które opierają się na wspomaganych uczeniem maszynowym symulacjach warunków panujących w stałym jądrze wewnętrznym Ziemi, mogą rzucić nowe światło na właściwości sejsmiczne i geodynamiczne rdzenia, które nie są w pełni poznane.

Wewnętrzne jądro Ziemi składa się głównie ze stałego żelaza i ma kilka intrygujących właściwości. Po pierwsze, prędkość fal ścinających – fal sprężystych przemieszczających się przez korpus materiału – w rdzeniu jest wyjątkowo niska. Rdzeń ma również wyjątkowo wysoki współczynnik Poissona, który jest miarą łatwości rozszerzania się w kierunku prostopadłym do kierunku ściskania; przy wartości 0.45 współczynnik Poissona rdzenia jest bliższy współczynnikowi cieczy lub rozciągliwego materiału, takiego jak guma (0.5) niż stali lub żeliwa (0.21-0.31).

Podejście wspomagane sztuczną inteligencją

Aby odkryć mechanizmy fizyczne odpowiedzialne za te niezwykłe cechy, naukowcy pod kierownictwem Jung Fu Lin na Uniwersytetu Teksasu w Szkole Nauk o Ziemi w Austin rozpoczęto od wykorzystania obliczeń uczenia maszynowego do symulacji zachowania dziesiątek tysięcy atomów żelaza w ekstremalnie wysokich temperaturach i ciśnieniach panujących w jądrze wewnętrznym. To podejście wspomagane sztuczną inteligencją pozwoliło im wiarygodnie przewidzieć ruch atomów żelaza w tych warunkach.

Następnie potwierdzili te symulacje serią eksperymentów, w ramach których odtworzono niezwykle wysokie temperatury i ciśnienia panujące w wewnętrznym jądrze Ziemi. Wystrzeliwując szybko poruszający się pocisk w małą żelazną płytkę i mierząc powstałe fale uderzeniowe, udało im się obliczyć prędkość dźwięku w atomach żelaza w warunkach panujących w jądrze wewnętrznym.

Zbiorowy ruch atomów żelaza

Chociaż uważa się, że atomy żelaza w rdzeniu wewnętrznym są ułożone w powtarzający się sześciokątny, gęsto upakowany wzór, naukowcy odkryli, że grupy atomów żelaza w ich układach modelowych mogą nadal szybko się poruszać, zmieniając swoje miejsce w metalicznej siatce, zachowując jednocześnie ogólny sześciokątny Struktura. Według zespołu ten zbiorowy ruch może wyjaśniać, dlaczego pomiary sejsmiczne jądra wewnętrznego ujawniają środowisko o znacznie niższej prędkości fali poprzecznej i wyższym współczynniku Poissona, jakiego można by się spodziewać przy tak wysokich temperaturach i ciśnieniach.

„Wielkim odkryciem, które odkryliśmy, jest to, że stałe żelazo staje się zaskakująco miękkie głęboko w Ziemi, ponieważ jego atomy mogą poruszać się znacznie bardziej, niż kiedykolwiek sobie wyobrażaliśmy” – wyjaśnia członek zespołu Youjun Zhang Uniwersytetu w Syczuanie. „Ten zwiększony ruch sprawia, że ​​rdzeń wewnętrzny jest mniej sztywny i słabszy w stosunku do sił ścinających”.

Oprócz wyjaśnienia wyjątkowo niskiej prędkości fali ścinającej i bardzo wysokiego współczynnika Poissona rdzenia wewnętrznego, wynik opisany w PNAS, może również rzucić światło na to, w jaki sposób jądro wewnętrzne pomaga zasilać geodynamo Ziemi. Energia z tego dynama wytwarza pole magnetyczne naszej planety – niezbędny element umożliwiający zamieszkanie na niej, ponieważ chroni życie przed szkodliwym promieniowaniem jonizującym w przestrzeni kosmicznej.

Naukowcy planują teraz rozszerzyć swoje badania na niedawno odkryte wnętrza egzoplanet. „Chcemy także zbadać wpływ zbiorowego ruchu atomów na szereg innych właściwości, które są niezbędne dla naszego zrozumienia głębokiej Ziemi” – mówi Lin Świat Fizyki.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki