Tarpdisciplininė medžiagų fizikų ir geofizikų komanda sujungia teorines prognozes, modeliavimą ir seisminę tomografiją, kad surastų sukimosi perdavimą Žemės mantijoje.

Žemės vidus yra paslaptis, ypač didžiausiame gylyje (> 660 km). Tyrėjai turi tik seisminius šio regiono skerspjūvio vaizdus ir, norėdami juos interpretuoti, jie turi apskaičiuoti seisminius (akustinius) mineralų greičius esant aukštam slėgiui ir temperatūrai. Atlikę šiuos skaičiavimus, jie gali sukurti 3D greičio žemėlapius ir sužinoti stebimų teritorijų mineralus bei temperatūrą. Kai minerale įvyksta fazinis perėjimas, pavyzdžiui, pasikeitus kristalų struktūrai esant stresui, mokslininkai pastebi greičio pasikeitimą, dažniausiai staigų seisminio greičio lūžį.

2003 m. Mokslininkai laboratorijoje pastebėjo naujo tipo mineralų fazių pasikeitimą – geležies sukimosi pasikeitimą ferroperiklazėje, antroje pagal paplitimą Žemės apatinės mantijos dalyje. Sukimasis arba sukimosi sandūra gali pasikeisti mineraluose, pvz., Ferroperiklazėje, veikiant išoriniam katalizatoriui, pvz., Slėgiui ar temperatūrai. Per ateinančius kelerius metus eksperimentinės ir teorinės grupės patvirtino šį feroperiklazės ir bridgmanito, labiausiai paplitusios apatinės mantijos fazės, pasikeitimą. Tačiau niekas nebuvo tikras, kodėl ir kur tai įvyko.

Šaltos ir žemesnės vandenyno plokštės (a) ir (b) yra laikomos greito greičio sritimis, o šiltos pakilusios mantijos uolienos – lėto greičio srityse (c). Plokštės ir stulpeliai sukuria nuoseklų tomografinį signalą S bangos modeliuose, tačiau signalas iš dalies išnyksta P bangos modeliuose. Kreditas: Columbia Engineering

2006 metais Kolumbijos universiteto inžinerijos profesorė Renata Wenitzkowicz paskelbė savo pirmąjį straipsnį apie ferroperiklazę, pateikdama šio mineralo sukimosi sankirtos teoriją. Jos teorija leido manyti, kad tai įvyks tūkstantį kilometrų apatinėje mantijoje. Nuo tada Wentzkowitz, taikomosios fizikos profesorius ir Taikomosios matematikos, Žemės ir aplinkos mokslų katedra, ir Lamont-Doherty Žemės observatorija Kolumbijos universitetas, kartu su savo grupe paskelbė 13 mokslinių straipsnių šia tema, tyrinėdama greičius visais įmanomais atvejais, kai sukosi ferroperiklazė ir bridgmanitas, ir numatė šių mineralų savybes šios sankryžos metu. 2014 m. Wenzcovitch, kurio moksliniai tyrimai sutelkti į medžiagų, ypač planetinių medžiagų, kvantinius mechaninius tyrimus ekstremaliomis sąlygomis, numatė, kaip šis sukimosi keitimo reiškinys gali būti aptiktas seisminėse tomogramose, tačiau seismologai vis dar negalėjo to pamatyti.

Dirbdamas su daugiadisciplinine „Columbia Engineering“ komanda, Oslo universitetasLtd., Tokijo technologijos institutas ir „Intel Corporation“, naujausias Wenzcovitch mokslinis darbas, parodantis, kaip jie dabar nustatė ferociklinį jungties signalą – kvantinį perėjimą giliai Žemės mantijoje. Tai buvo pasiekta žvelgiant į konkrečius Žemės mantijos regionus, kuriuose tikimasi gausios ferroperiklazės. Tyrimas buvo paskelbtas 2021 m. Spalio 8 d Gamtos jungtys.

„Šis jaudinantis atradimas, patvirtinantis mano ankstesnes prognozes, parodo, kaip svarbu, kad medžiagų fizikai ir geofizikai dirbtų kartu, kad sužinotų daugiau apie tai, kas vyksta giliai Žemėje“, – sakė Wentzkowitzas.

Rotacinis perėjimas dažniausiai naudojamas medžiagose, tokiose kaip magnetinis įrašymas. Jei ištempiate ar suspaudžiate kelis nanometrų storio magnetinės medžiagos sluoksnius, galite pakeisti sluoksnio magnetines savybes ir pagerinti terpės įrašymo savybes. Naujasis Wentzcovičiaus tyrimas rodo, kad tas pats reiškinys vyksta tūkstančius kilometrų Žemės viduje, kai jis pereina nuo nanoskalės prie makro.

Be to, geodinaminiai modeliavimai parodė, kad sukimosi sandūra suaktyvina konvekciją Žemės mantijoje ir tektoninių plokščių judėjimą. Taigi mes manome, kad šis kvantinis reiškinys taip pat padidina tektoninių įvykių, tokių kaip žemės drebėjimai ir ugnikalnių išsiveržimai, dažnumą “, – pažymi Wentzkowitzas.

Vis dar yra daug mantijos regionų, kurių tyrėjai nesupranta, ir sukimosi būsenos keitimas yra labai svarbus norint suprasti greičius, fazės stabilumą ir kt. Wentzkowitzas ir toliau aiškina seisminės tomografijos žemėlapius, naudodamas numatomus seisminius greičius Nuo pradžios Skaičiavimai, pagrįsti tankio funkcine teorija. Ji taip pat kuria ir taiko tikslesnius medžiagų modeliavimo metodus seisminiams greičiams ir transportavimo savybėms prognozuoti, ypač regionuose, kuriuose gausu geležies, išlydytos arba beveik lydymosi temperatūros.

„Ypač įdomu yra tai, kad mūsų medžiagų modeliavimo metodai yra taikomi stipriai tarpusavyje susijusioms medžiagoms – feroelektrikai ir apskritai aukštos temperatūros medžiagoms“, – sako Wentzkowiczius. „Galėsime patobulinti Žemės 3D tomogramų analizę ir sužinoti daugiau apie tai, kaip gniuždantis Žemės slėgis netiesiogiai veikia mūsų gyvenimą virš Žemės“.

Nuoroda: „Seisminė ferroperiklazės sukimosi sandūros išraiška Žemutinėje Žemės mantijoje“, pateikė Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons ir Renata M. Wenitzkowicz, 2021 m. Spalio 8 d. , Gamtos jungtys.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z