Ljudhastighetsmätningar kastar ljus över jordens inre

Forskare har mätt ljudhastigheten i rent järn under tryck som liknar dem som finns vid jordens inre kärngräns. Resultatet tyder på att denna del av kärnan kan vara berikad med kisel och svavel.

"Det kan vara förvånande, men vi har inte mycket information om mitten av planeten vi lever på," säger Alfred Baron av RIKEN SPring-8 Center i Japan. ”Man kan gräva ner några kilometer, och vulkaner och plattektonik kan ta upp material från djup på några hundra kilometer, men vad som ligger nedanför, ner till jordens mitt cirka 6000 kilometer under våra fötter, är inte väl förstådd. ”

Vår nuvarande bild av jordens inre tyder på att planetens yttre kärna (som ligger cirka 3000 km ner) mestadels är flytande järn, med en inre kärna av fast järn under. Denna information erhålls genom att spåra seismiska vågor från jordbävningar när de fortplantar sig genom planeten, vilket ger data om ljudets densitet och hastighet, och specifikt kompressions- och skjuvvågshastigheterna (v_p och v_s respektive). De sålunda uppmätta värdena stämmer dock inte exakt överens med vad som förväntas för rent järn enligt Preliminary Reference Earth-modellen (PREM), förklarar Baron. Därför måste det finnas något annat – möjligen något mindre tätt – närvarande i kärnan.

"Vad det här materialet är, och hur mycket av det det kan finnas, är aktiva undersökningsområden eftersom de har implikationer för att förstå jordens nuvarande egenskaper och utvecklingen av solsystemet som helhet", säger han.

Förbättrad version av en diamantstädcell

Ett alternativt sätt att utforska beteendet hos material vid höga tryck är att använda en diamantstädcell (DAC). Men även med detta verktyg krävs det avsevärd skicklighet för att uppnå tryck som är jämförbara med dem i jordens kärna.

Diamantsensorer sonderar materia vid höga tryck

I det senaste arbetet, projektledare Daijo Ikuta, Eiji Ohtani och Alfred Baron använde en förbättrad version av en DAC känd som ett städ med stegavfasning, kombinerat med oelastisk röntgenspridning och röntgendiffraktionsmätningar. Röntgenspridningstekniken gör det möjligt för forskare att observera atomära rörelser i material med hjälp av röntgenstrålning och är den enda metoden för att mäta ljudhastigheten i metaller direkt under extrem statisk kompression i en DAC. Forskarna gjorde dessa mätningar vid RIKENs anläggning för oelastisk röntgenspridning, Quantum NanoDynamics Beamline på Spring-8 i Hyogo Prefecture.

Dessa mätningar visade att vid ett tryck på 310–327 GPa – det högsta statiska trycket som någonsin uppnåtts i studier med oelastisk röntgenspridning och in situ Röntgendiffraktionstekniker – densiteten för hexagonalt-slutet-packat järn är 13.87 g/cm³. Det fann forskarna också v_p och v_s av den inre kärnan är cirka 4 % respektive 36 % långsammare än motsvarande hastigheter för rent järn vid inre kärntryck. "Dessa densitets- och ljudhastighetsvärden kan förklaras av tillsatsen av cirka 3 % kisel och 3 % svavel (i vikt) till järnet i den inre kärnan, vilket kan ske genom en selektiv anrikning av material på grund av den inre kärnans tillväxt från yttre kärnan”, berättar Baron Fysikvärlden.

Resultaten är detaljerade i Nature Communications.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/sound-speed-measurements-shed-light-on-earths-interior/