حقوق الصورة: ناسا
يعتقد الجيولوجيون في جامعة بيركلي أن البوتاسيوم المشع قد يكون مصدرًا رئيسيًا للحرارة في قلب الأرض. ومع ذلك ، اكتشف الجيولوجيون أن البوتاسيوم يمكن أن يشكل سبيكة ثقيلة بالحديد تحت درجات حرارة وضغوط عالية ، لذلك قد يكون قد غرقت للتو في منتصف الأرض ، ويمكن أن تشكل مكونًا دقيقًا من القلب - ولكن خمس الحرارة.
يبدو أن البوتاسيوم المشع ، الشائع بدرجة كافية على الأرض لجعل الموز الغني بالبوتاسيوم أحد "سخونة" الأطعمة الموجودة حوله ، هو أيضًا مصدر كبير للحرارة في قلب الأرض ، وفقًا للتجارب الأخيرة التي أجرتها جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، الجيوفيزيائيين.
يُعتقد أن البوتاسيوم المشع واليورانيوم والثوريوم هي المصادر الرئيسية الثلاثة للحرارة في باطن الأرض ، بصرف النظر عن تلك الناتجة عن تكوين الكوكب. تعمل الحرارة معًا على إبقاء الوشاح متمايلًا بشكل نشط ويولد القلب مجالًا مغناطيسيًا واقيًا.
لكن الجيوفيزيائيين وجدوا بوتاسيوم أقل بكثير في قشرة الأرض وغطاء الأرض مما هو متوقع بناءً على تكوين النيازك الصخرية التي يفترض أنها شكلت الأرض. إذا كان البوتاسيوم المفقود ، كما اقترح البعض ، موجودًا في قلب الحديد في الأرض ، فكيف وصل عنصر خفيف مثل البوتاسيوم إلى هناك ، خاصة وأن الحديد والبوتاسيوم لا يختلطان؟
كاناني لي ، التي حصلت مؤخرًا على شهادة الدكتوراه. من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، واكتشف جامعة كاليفورنيا في بيركلي أستاذ علوم الأرض والكواكب ريمون جانلوز إجابة محتملة. لقد أظهروا أنه عند الضغوط العالية ودرجات الحرارة في باطن الأرض ، يمكن أن يشكل البوتاسيوم سبيكة مع حديد لم يسبق له مثيل. خلال تكوين الكوكب ، يمكن أن تكون هذه سبائك الحديد والبوتاسيوم قد غرقت في القلب ، واستنفاد البوتاسيوم في الوشاح والقشرة المتراكبين ، وتوفر مصدر حرارة البوتاسيوم المشع بالإضافة إلى ذلك الذي يوفره اليورانيوم والثوريوم في القلب.
ابتكر لي سبيكة جديدة بالضغط على الحديد والبوتاسيوم بين طرفين من الماسين في درجات حرارة وضغوط مميزة على عمق 600-700 كيلومتر تحت السطح - 2500 درجة مئوية وحوالي 4 ملايين رطل لكل بوصة مربعة ، أو ربع مليون مرة في الغلاف الجوي الضغط.
قال لي: "تشير نتائجنا الجديدة إلى أن النواة قد تحتوي على ما يصل إلى 1200 جزء في المليون من البوتاسيوم ، فقط على عُشر واحد بالمائة." "قد تبدو هذه الكمية صغيرة ، ويمكن مقارنتها بتركيز البوتاسيوم المشع الموجود بشكل طبيعي في الموز. إذا تم دمجها على كامل كتلة قلب الأرض ، فقد يكون كافياً لتوفير خمس الحرارة التي تصدرها الأرض. "
سيقدم لي وجانلوز نتائجهما في 10 ديسمبر ، في اجتماع الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي في سان فرانسيسكو ، وفي مقال مقبول للنشر في رسائل البحوث الجيوفيزيائية.
"من خلال تجربة واحدة ، أظهر لي وجانلوز أن البوتاسيوم قد يكون مصدرًا مهمًا للحرارة للجيودينامو ، ويوفر مخرجًا من بعض الجوانب المزعجة للتطور الحراري للنواة ، وأثبت أيضًا أن الفيزياء المعدنية الحسابية الحديثة لا تكمل فقط العمل التجريبي ، ولكن قال مارك بوكوينسكي ، أستاذ علوم الأرض والكواكب في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، والذي تنبأ بالسبائك غير المعتادة في منتصف السبعينيات: "إنها يمكن أن توفر إرشادات للاستكشافات التجريبية المثمرة".
يحذر عالم الجيوفيزياء بروس بافيت من جامعة شيكاغو من أنه يجب إجراء المزيد من التجارب لإثبات أن الحديد يمكنه بالفعل سحب البوتاسيوم بعيدًا عن صخور السيليكات التي تهيمن على عباءة الأرض.
قال بافيت: "لقد أثبتوا أنه سيكون من الممكن إذابة البوتاسيوم في الحديد السائل". "يحتاج المصممون إلى الحرارة ، لذلك هذا مصدر واحد ، لأن النظائر المشعة للبوتاسيوم يمكن أن تنتج الحرارة والتي يمكن أن تساعد في حمل الطاقة الكهربائية في القلب ودفع المجال المغناطيسي. لقد أثبتوا أنها يمكن أن تدخل. المهم هو كم يتم سحبها من السيليكات. لا يزال هناك عمل يتعين القيام به "
إذا كانت كمية كبيرة من البوتاسيوم موجودة في قلب الأرض ، فإن هذا سيوضح سؤالًا مستمرًا - لماذا نسبة البوتاسيوم إلى اليورانيوم في النيازك الصخرية (الكوندريت) ، التي يفترض أن تتجمع لتشكل الأرض ، أكبر ثمانية أضعاف من المرصود نسبة في القشرة الأرضية. على الرغم من أن بعض الجيولوجيين أكدوا أن البوتاسيوم المفقود موجود في القلب ، إلا أنه لم تكن هناك آلية يمكن من خلالها الوصول إلى القلب. عناصر أخرى مثل الأكسجين ومركبات الكربون تشكل أو سبائك مع الحديد ويفترض أن يتم سحبها بالحديد لأنها غرقت في القلب. ولكن في درجة الحرارة والضغط العاديين ، لا يرتبط البوتاسيوم بالحديد.
جادل آخرون بأن البوتاسيوم المفقود اختفى خلال المرحلة المبكرة المنصهرة من تطور الأرض.
إن عرض لي وجانلوز بأن البوتاسيوم يمكن أن يذوب في الحديد لتشكيل سبيكة يوفر تفسيرًا للبوتاسيوم المفقود.
قال لي: "في وقت مبكر من تاريخ الأرض ، لم تكن درجة الحرارة الداخلية والضغط عالية بما يكفي لصنع هذه السبيكة". "ولكن مع تراكم المزيد من النيازك ، كان من الممكن أن يزداد الضغط ودرجة الحرارة إلى النقطة التي يمكن أن تتكون فيها هذه السبيكة."
تنبأ Bukowinski بوجود هذه السبائك عالية الضغط في منتصف السبعينيات. باستخدام الحجج الميكانيكية الكمومية ، اقترح أن الضغط المرتفع سيضغط على الإلكترون الخارجي الوحيد للبوتاسيوم في قشرة سفلية ، مما يجعل الذرة تشبه الحديد وبالتالي أكثر عرضة للسبائك بالحديد.
وأكدت القياسات التجريبية الجديدة أن الحسابات الميكانيكية الكمومية الحديثة باستخدام التقنيات المحسنة ، التي أجريت مع جيرد شتاينل-نيومان في جامعة بايرويت في بايرويتش جيو إنستيت.
قال جانلوز: "إن هذا يكرر بالفعل الحسابات السابقة ويتحقق منها قبل 26 عامًا ويقدم شرحًا جسديًا لنتائجنا التجريبية".
يعتقد أن الأرض قد تكونت من اصطدام العديد من الكويكبات الصخرية ، ربما قطرها مئات الكيلومترات ، في النظام الشمسي المبكر. مع تزايد كتلة الأرض الأولية تدريجيًا ، أبقى اصطدام الكويكبات المستمر وانهيار الجاذبية الكوكب منصهرًا. عناصر أثقل؟ في الحديد على وجه الخصوص - سيغرق في القلب خلال 10 إلى 100 مليون سنة ، حاملاً معه عناصر أخرى مرتبطة بالحديد.
ومع ذلك ، تدريجيًا ، ستبرد الأرض وتصبح كرة صخرية ميتة مع كرة حديدية باردة في القلب إن لم يكن من أجل استمرار إطلاق الحرارة من خلال انحلال العناصر المشعة مثل البوتاسيوم 40 ، واليورانيوم 238 ، والثوريوم 232 التي يبلغ عمر النصف لها 1.25 مليار و 4 مليار و 14 مليار سنة على التوالي. حوالي واحد من كل ألف ذرة بوتاسيوم مشع.
وتحول الحرارة المتولدة في القلب الحديد إلى دينامو حراري يحافظ على مجال مغناطيسي قوي بما يكفي لحماية الكوكب من الرياح الشمسية. تتسرب هذه الحرارة إلى الوشاح مسببة الحمل الحراري في الصخر الذي يحرك الصفائح القشرية ويغذي البراكين.
ومع ذلك ، كان من الصعب موازنة الحرارة المتولدة في القلب مع التركيزات المعروفة للنظائر المشعة ، وكان البوتاسيوم المفقود جزءًا كبيرًا من المشكلة. اقترح أحد الباحثين في وقت سابق من هذا العام أن الكبريت يمكن أن يساعد البوتاسيوم على الارتباط بالحديد ويوفر وسيلة يمكن من خلالها وصول البوتاسيوم إلى القلب.
تظهر تجربة لي وجانلوز أن الكبريت ليس ضروريًا. قام لي بدمج الحديد النقي والبوتاسيوم النقي في خلية سندان الماس وعصر العينة الصغيرة إلى 26 غيغا باسكال من الضغط أثناء تسخين العينة باستخدام ليزر أعلى من 2500 كلفن (4000 درجة فهرنهايت) ، وهو أعلى من نقاط انصهار البوتاسيوم والحديد. أجرت هذه التجربة ست مرات في حزم الأشعة السينية عالية الكثافة لمسرعين مختلفين - مصدر الضوء المتقدم لمختبر لورانس بيركلي الوطني ومختبر ستانفورد السينكروتروني للإشعاع - للحصول على صور حيود الأشعة السينية للبنية الداخلية للعينات. أكدت الصور أن البوتاسيوم والحديد قد اختلطوا بالتساوي لتشكيل سبيكة ، مثل مزيج الحديد والكربون لتشكيل سبائك الصلب.
وقال جانلوز إن الضغط على عمق 400-1000 كيلومتر (270-670 ميلا) في محيط الصهارة النظرية لأرض ما بين 15 و 35 جيجا باسكال وستكون درجة الحرارة 2200-3000 كلفن.
قال جانلوز: "في درجات الحرارة والضغوط هذه ، تتغير الفيزياء الأساسية وتتغير كثافة الإلكترونات ، مما يجعل البوتاسيوم يبدو أشبه بالحديد". "عند الضغط العالي ، يبدو الجدول الدوري مختلفًا تمامًا".
وقال بوكوينسكي "إن عمل لي وجانلوز يوفر أول دليل على أن البوتاسيوم قابل للمزج بالفعل في الحديد عند ضغوط عالية ، وربما بدرجة كبيرة ، فإنه يبرر الفيزياء الحاسوبية التي تكمن وراء التنبؤ الأصلي". "إذا كان من الممكن إثبات أن البوتاسيوم سيدخل الحديد بكميات كبيرة في وجود معادن سيليكات ، وهي ظروف تمثل عمليات تكوين اللب المحتملة ، فإن البوتاسيوم يمكن أن يوفر الحرارة الإضافية اللازمة لشرح سبب عدم تجميد قلب الأرض الداخلي بحجم كبير كما يوحي التاريخ الحراري للنواة ".
يشعر جانلوز بالإثارة من حقيقة أن الحسابات النظرية لا تشرح الآن فقط النتائج التجريبية عند الضغط المرتفع فحسب ، بل تتنبأ أيضًا بالبنى.
وقال: "نحتاج إلى منظرين لتحديد المشاكل المثيرة للاهتمام ، وليس فقط التحقق من نتائجنا بعد التجربة". "هذا يحدث الآن. في السنوات الست الماضية ، كان المنظرون يتنبأون بأن التجريبيين على استعداد لقضاء بضع سنوات للتظاهر ".
تم تمويل العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم ووزارة الطاقة.
المصدر الأصلي: نشرة جامعة بيركلي الإخبارية
