เครดิตรูปภาพ: NASA
นักธรณีวิทยาที่มหาวิทยาลัยเบิร์กลีย์เชื่อว่าโพแทสเซียมกัมมันตรังสีอาจเป็นแหล่งความร้อนจำนวนมากในแกนกลางของโลก อย่างไรก็ตามนักธรณีวิทยาค้นพบว่าโพแทสเซียมสามารถสร้างโลหะผสมหนักด้วยเหล็กภายใต้อุณหภูมิและความดันสูงดังนั้นมันอาจจะจมลงไปกลางโลกและอาจก่อตัวเป็นองค์ประกอบหนึ่งนาทีของแกน - แต่หนึ่งในห้าของความร้อน
โพแทสเซียมกัมมันตรังสีพบได้ทั่วไปบนโลกในการสร้างกล้วยที่อุดมด้วยโพแทสเซียมซึ่งเป็นหนึ่งในอาหารที่ "ร้อนที่สุด" รอบ ๆ ปรากฏว่าเป็นแหล่งความร้อนจำนวนมากในแกนกลางของโลกตามการทดลองล่าสุดโดยมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์นักธรณีฟิสิกส์
โพแทสเซียมกัมมันตรังสียูเรเนียมและทอเรียมเป็นแหล่งความร้อนหลักสามแหล่งในการตกแต่งภายในของโลกนอกเหนือจากที่เกิดจากการก่อตัวของดาวเคราะห์ ร่วมกันความร้อนทำให้เสื้อคลุมปั่นป่วนและแกนกลางสร้างสนามแม่เหล็กป้องกัน
แต่นักธรณีฟิสิกส์ได้ค้นพบโพแทสเซียมในเปลือกโลกและเปลือกโลกน้อยกว่าที่คาดไว้มากจากองค์ประกอบของอุกกาบาตหินซึ่งก่อตัวเป็นโลก หากมีคนเสนอโพแทสเซียมที่หายไปนั้นอาศัยอยู่ในแกนเหล็กของโลกธาตุที่มีน้ำหนักเบาเท่าโพแทสเซียมมาถึงอย่างไรโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเหล็กและโพแทสเซียมไม่ได้ผสมกัน
Kanani Lee ที่เพิ่งได้รับปริญญาเอกของเธอ จาก UC Berkeley และศาสตราจารย์ UC Berkeley แห่งโลกและวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ Raymond Jeanloz ได้ค้นพบคำตอบที่เป็นไปได้ พวกเขาแสดงให้เห็นว่าที่ความกดดันและอุณหภูมิสูงในการตกแต่งภายในของโลกโพแทสเซียมสามารถสร้างโลหะผสมกับเหล็กซึ่งไม่เคยสังเกตมาก่อน ในระหว่างการก่อตัวของดาวเคราะห์โลหะผสมเหล็กโพแทสเซียมนี้อาจจมลงไปในแกนกลางทำให้สูญเสียโพแทสเซียมในชั้นเปลือกโลกและเปลือกโลกและยังเป็นแหล่งความร้อนโพแทสเซียมที่มีกัมมันตภาพรังสีเพิ่มเติมจากยูเรเนียมและทอเรียมในแกนกลาง
ลีสร้างโลหะผสมใหม่โดยการบีบเหล็กและโพแทสเซียมระหว่างปลายเพชรสองอันกับอุณหภูมิและลักษณะความดัน 600-700 กิโลเมตรใต้พื้นผิว - 2,500 องศาเซลเซียสและเกือบ 4 ล้านปอนด์ต่อตารางนิ้วหรือหนึ่งในสี่ของล้านครั้งบรรยากาศ ความดัน.
“ การค้นพบใหม่ของเราบ่งชี้ว่าแกนกลางนั้นอาจมีโพแทสเซียมสูงถึง 1,200 ส่วนต่อล้านโพแทสเซียมซึ่งมากกว่าหนึ่งในสิบของหนึ่งเปอร์เซ็นต์” ลีกล่าว “ ปริมาณนี้อาจดูเล็กน้อยและเทียบได้กับความเข้มข้นของโพแทสเซียมกัมมันตรังสีที่มีอยู่ตามธรรมชาติในกล้วย เมื่อรวมเข้ากับแกนทั้งหมดของแกนโลกแล้วมันก็เพียงพอที่จะให้ความร้อนหนึ่งในห้าของโลก
Lee และ Jeanloz จะรายงานผลการค้นพบของพวกเขาในวันที่ 10 ธันวาคมที่การประชุมสหภาพธรณีฟิสิกส์อเมริกันในซานฟรานซิสโกและในบทความที่ได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์ในจดหมายงานวิจัยธรณีฟิสิกส์
“ ด้วยการทดลองหนึ่งครั้งลีและ Jeanloz แสดงให้เห็นว่าโพแทสเซียมอาจเป็นแหล่งความร้อนที่สำคัญสำหรับ geodynamo ซึ่งให้วิธีการที่ไม่สะดวกสบายในแง่มุมบางประการของวิวัฒนาการทางความร้อนของแกนกลางและแสดงให้เห็นเพิ่มเติมว่าฟิสิกส์แร่การคำนวณสมัยใหม่ไม่เพียง ที่สามารถให้คำแนะนำแก่การสำรวจเชิงทดลองที่ประสบผลสำเร็จได้ "มาร์กบูโควินสกีศาสตราจารย์ของโลกและวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่ UC Berkeley ผู้ทำนายโลหะผสมที่ผิดปกติในกลางปี 1970 กล่าว
นักฟิสิกส์ธรณีบรูซบัฟเฟตต์จากมหาวิทยาลัยชิคาโกเตือนว่าต้องมีการทดลองเพิ่มเติมเพื่อแสดงให้เห็นว่าเหล็กสามารถดึงโพแทสเซียมออกจากหินซิลิเกตที่อยู่ในเสื้อคลุมโลก
“ พวกเขาพิสูจน์แล้วว่ามันเป็นไปได้ที่จะละลายโพแทสเซียมเป็นเหล็กเหลว” บุฟเฟ่ต์กล่าว “ ผู้สร้างแบบจำลองต้องการความร้อนดังนั้นนี่จึงเป็นแหล่งเดียวเนื่องจากไอโซโทปรังสีของโพแทสเซียมสามารถผลิตความร้อนและสามารถช่วยพาพลังงานในแกนกลางและขับสนามแม่เหล็ก พวกเขาพิสูจน์แล้วว่าสามารถเข้าไปได้สิ่งสำคัญคือปริมาณของซิลิเกตถูกดึงออกมามากแค่ไหน ยังมีงานที่ต้องทำ”
หากโพแทสเซียมจำนวนมากอาศัยอยู่ในแกนกลางของโลกสิ่งนี้จะทำให้เกิดคำถามที่เอ้อระเหย - ทำไมอัตราส่วนของโพแทสเซียมต่อยูเรเนียมในอุกกาบาตที่เต็มไปด้วยหิน (chondrites) ซึ่งน่าจะรวมตัวกันก่อตัวเป็นโลกได้แปดเท่า อัตราส่วนในเปลือกโลก แม้ว่านักธรณีวิทยาบางคนยืนยันว่าโพแทสเซียมที่หายไปนั้นอยู่ในแกนกลาง แต่ก็ไม่มีกลไกที่จะไปถึงแกนกลางได้ องค์ประกอบอื่น ๆ เช่นสารประกอบออกซิเจนและคาร์บอนรูปแบบหรือโลหะผสมกับเหล็กและสันนิษฐานว่าถูกลากลงโดยเหล็กเมื่อมันจมลงสู่แกนกลาง แต่ที่อุณหภูมิและความดันปกติโพแทสเซียมไม่สัมพันธ์กับธาตุเหล็ก
คนอื่น ๆ แย้งว่าโพแทสเซียมที่หายไปนั้นถูกต้มในช่วงแรกของการวิวัฒนาการของโลก
การสาธิตโดย Lee และ Jeanloz ที่โพแทสเซียมสามารถละลายในเหล็กเพื่อสร้างอัลลอยด์เป็นคำอธิบายสำหรับโพแทสเซียมที่หายไป
“ ในช่วงต้นของประวัติศาสตร์โลกอุณหภูมิและความดันภายในจะไม่สูงพอที่จะสร้างโลหะผสมนี้ได้” ลีกล่าว “ แต่เมื่ออุกกาบาตมากขึ้นเรื่อย ๆ ความกดดันและอุณหภูมิก็เพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่โลหะผสมนี้ก่อตัวขึ้น”
การดำรงอยู่ของโลหะผสมแรงดันสูงนี้ถูกทำนายโดย Bukowinski ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 การใช้การถกเถียงทางกลเชิงควอนตัมเขาแนะนำว่าแรงดันสูงจะบีบอิเล็กตรอนชั้นนอกของโพแทสเซียมให้เป็นเปลือกชั้นล่างทำให้อะตอมมีลักษณะคล้ายกับเหล็กและทำให้มีแนวโน้มที่จะผสมกับเหล็กมากขึ้น
การคำนวณเชิงกลควอนตัมล่าสุดโดยใช้เทคนิคที่ปรับปรุงแล้วดำเนินการโดย Gerd Steinle-Neumann ที่Universitét Bayerisches Geoinstitétของ Bayreuth ยืนยันการวัดเชิงทดลองใหม่
“ นี่เป็นการจำลองและตรวจสอบการคำนวณก่อนหน้านี้เมื่อ 26 ปีก่อนและให้คำอธิบายทางกายภาพสำหรับผลการทดลองของเรา” Jeanloz กล่าว
คิดว่าโลกนี้ก่อตัวขึ้นจากการชนกันของดาวเคราะห์น้อยที่เป็นหินซึ่งอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายร้อยกิโลเมตรในระบบสุริยะยุคแรก เมื่อโปรโต - เอิร์ทค่อยๆรวมตัวกันการชนดาวเคราะห์น้อยและการยุบตัวของแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวเคราะห์หลอมเหลว องค์ประกอบที่หนักกว่านี้? โดยเฉพาะเหล็ก - จะจมลงไปถึงแกนกลางในเวลา 10 ถึง 100 ล้านปีโดยมีองค์ประกอบอื่น ๆ ที่ผูกกับเหล็ก
อย่างไรก็ตามโลกจะค่อยๆเย็นตัวลงและกลายเป็นโลกที่เต็มไปด้วยหินที่มีลูกเหล็กเย็นที่แกนกลางหากไม่ปล่อยความร้อนอย่างต่อเนื่องโดยการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีเช่นโพแทสเซียม -40, ยูเรเนียม -238 และทอเรียม -232 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 1.25 พันล้าน 4 พันล้านและ 14 พันล้านปีตามลำดับ อะตอมของโพแทสเซียมในทุกๆพันอะตอมมีกัมมันตภาพรังสี
ความร้อนที่เกิดขึ้นในแกนกลางจะเปลี่ยนเหล็กให้เป็นไดนาโมที่ไหลเวียนซึ่งรักษาสนามแม่เหล็กให้แข็งแรงพอที่จะป้องกันดาวเคราะห์จากลมสุริยะ ความร้อนนี้รั่วไหลออกไปในเสื้อคลุมทำให้เกิดการพาความร้อนในหินที่เคลื่อนแผ่นเปลือกโลกและภูเขาไฟเชื้อเพลิง
การสมดุลความร้อนที่เกิดขึ้นในแกนกลางด้วยความเข้มข้นของไอโซโทปรังสีที่รู้จักนั้นเป็นเรื่องยากอย่างไรก็ตามโพแทสเซียมที่หายไปเป็นปัญหาส่วนใหญ่ นักวิจัยคนหนึ่งเสนอเมื่อต้นปีนี้ว่าซัลเฟอร์สามารถช่วยโพแทสเซียมเชื่อมโยงกับเหล็กและให้วิธีการที่โพแทสเซียมสามารถไปถึงแกนกลาง
การทดลองโดย Lee และ Jeanloz แสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องใช้กำมะถัน ลีผสมเหล็กบริสุทธิ์และโพแทสเซียมบริสุทธิ์ในเซลล์เพชรทั่งและบีบตัวอย่างขนาดเล็กถึง 26 gigapascals ของความดันในขณะที่ความร้อนตัวอย่างด้วยเลเซอร์สูงกว่า 2,500 เคลวิน (4,000 องศาฟาเรนไฮต์) ซึ่งอยู่เหนือจุดหลอมเหลวของโพแทสเซียมและเหล็ก เธอทำการทดลองนี้หกครั้งในลำแสงเอ็กซ์เรย์ความเข้มสูงของเครื่องเร่งความเร็วที่แตกต่างกันสองเครื่องคือ Advanced Light Source ของ Lawrence Berkeley National Laboratory และ Stanford Synchrotron Radiation Laboratory เพื่อให้ได้ภาพ X-ray diffraction ของโครงสร้างภายในของกลุ่มตัวอย่าง ภาพยืนยันว่าโพแทสเซียมและเหล็กผสมกันอย่างสม่ำเสมอเพื่อสร้างอัลลอยด์มากเท่ากับเหล็กและคาร์บอนผสมเพื่อสร้างโลหะผสมเหล็ก
ในมหาสมุทรแมกมาเชิงทฤษฎีของโปรโต - เอิร์ทความดันที่ระดับความลึก 400-1,000 กิโลเมตร (270-670 ไมล์) จะอยู่ระหว่าง 15 ถึง 35 กิกาปาสกาลและอุณหภูมิจะอยู่ที่ 2,200-3,000 เคลวิน Jeanloz กล่าว
“ ที่อุณหภูมิและแรงกดดันเหล่านี้การเปลี่ยนแปลงทางฟิสิกส์พื้นฐานและการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนทำให้โพแทสเซียมมีลักษณะเหมือนเหล็กมากขึ้น” ฌองโลลซ์กล่าว “ ที่ความดันสูงตารางธาตุดูต่างออกไปโดยสิ้นเชิง”
“ ผลงานของ Lee และ Jeanloz เป็นเครื่องพิสูจน์ครั้งแรกว่าโพแทสเซียมสามารถละลายได้ในเหล็กที่ความดันสูงและบางทีอาจจะมีความสำคัญต่อการพิสูจน์ฟิสิกส์การคำนวณที่เป็นพื้นฐานของการทำนาย” Bukowinski กล่าว “ หากสามารถพิสูจน์เพิ่มเติมได้ว่าโพแทสเซียมจะเข้าสู่ธาตุเหล็กในปริมาณที่มากเมื่อมีแร่ธาตุซิลิเกตซึ่งเป็นตัวแทนของกระบวนการก่อตัวแกนกลางที่น่าจะเกิดขึ้นโพแทสเซียมสามารถให้ความร้อนเป็นพิเศษเพื่ออธิบายว่าทำไมแกนภายในของโลก ขนาดใหญ่เท่าที่ประวัติศาสตร์ความร้อนของแกนแสดงให้เห็นว่ามันควรจะเป็น "
Jeanloz รู้สึกตื่นเต้นกับความจริงที่ว่าขณะนี้การคำนวณเชิงทฤษฎีไม่เพียง แต่อธิบายผลการทดลองที่แรงดันสูง แต่ยังทำนายโครงสร้าง
“ เราต้องการนักทฤษฎีในการระบุปัญหาที่น่าสนใจไม่เพียง แต่ตรวจสอบผลลัพธ์ของเราหลังจากการทดลอง” เขากล่าว “ นั่นเกิดขึ้นแล้ว ในช่วงครึ่งปีที่ผ่านมานักทฤษฎีทำนายว่านักทดลองยินดีที่จะใช้เวลาสองสามปีเพื่อแสดงให้เห็น”
งานนี้ได้รับทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและกระทรวงพลังงาน
แหล่งที่มาดั้งเดิม: ข่าวมหาวิทยาลัย Berkeley
