ETH Ciuricho mokslininkai laboratorijoje parodė, kaip gerai paprastas metalas, esantis ties Žemės šerdies ir mantijos riba, praleidžia šilumą. Tai verčia juos įtarti, kad Žemės šiluma gali išsisklaidyti greičiau, nei manyta anksčiau.

Mūsų planetos evoliucija – vėsumo istorija: prieš 4,5 milijardo metų jaunos Žemės paviršiuje vyravo ekstremali temperatūra, ją dengia gilus magmos vandenynas. Per milijonus metų planetos paviršius atvėso ir susidarė trapi pluta. Tačiau didžiulė šiluminė energija, sklindanti iš Žemės vidaus, skatina dinaminius procesus, tokius kaip mantijos konvekcija, plokščių tektonika ir vulkanizmas.

Tačiau klausimai, kaip greitai atvės Žemė ir kiek laiko gali užtrukti, kol šis nuolatinis vėsinimas sustabdys minėtus šiluminius procesus, lieka neatsakyti.

Vienas iš galimų atsakymų gali būti mineralų, sudarančių ribą tarp Žemės šerdies ir mantijos, šilumos laidumo.

Šis ribinis sluoksnis yra aktualus, nes būtent čia lipnios Žemės mantijos uolienos tiesiogiai liečiasi su karštu geležies ir nikelio lydymu planetos išorinėje šerdyje. Temperatūros gradientas tarp dviejų sluoksnių yra gana staigus, todėl čia greičiausiai tekės daug šilumos. Ribinis sluoksnis daugiausia sudarytas iš mineralinio tiltmanito. Tačiau mokslininkams sunku įvertinti, kiek šilumos šis mineralas perduoda iš Žemės šerdies į mantiją, nes eksperimentinis patikrinimas yra labai sunkus.

Dabar ETH profesorius Motohiko Murakami ir kolegos iš Carnegie mokslo instituto sukūrė sudėtingą matavimo sistemą, leidžiančią laboratorijoje išmatuoti Bridgemanito šilumos laidumą Žemės viduje vyraujančiomis slėgio ir temperatūros sąlygomis. Matavimams jie panaudojo naujai sukurtą optinio sugerties matavimo sistemą impulsiniu lazeriu šildomame deimantiniame bloke.

Matavimo prietaisas tiltmanito šilumos laidumui nustatyti esant aukštam slėgiui ir maksimaliai temperatūrai. Kreditas: iš Murakami M ir kt., 2021 m

„Ši matavimo sistema leidžia mums parodyti, kad tiltmanito šilumos laidumas yra maždaug 1,5 karto didesnis nei manyta”, – sako Murakami. Tai rodo, kad šilumos srautas iš šerdies į mantiją taip pat yra didesnis nei manyta anksčiau. Didesnis šilumos srautas savo ruožtu padidina konvekciją mantijoje ir pagreitina Žemės vėsimą. Dėl to plokščių tektonikos judėjimas, kurį palaiko konvekciniai judesiai mantijoje, gali sulėtėti greičiau, nei tyrėjai tikėjosi, remdamiesi ankstesnėmis šilumos laidumo vertėmis.

Murakami ir jo kolegos taip pat rodo, kad greitas mantijos aušinimas pakeis stabilias mineralines fazes ties šerdies ir mantijos riba. Atvėsęs tiltmanitas virsta mineraliniu postperovskitu. Tačiau kai tik postperovskitas atsiranda ties šerdies ir mantijos riba ir pradeda dominuoti, mantijos aušinimas iš tikrųjų gali paspartėti, skaičiuoja tyrėjai, nes šis mineralas šilumą praleidžia efektyviau nei tiltmanitas.

„Mūsų rezultatai gali suteikti mums naują Žemės dinamikos evoliucijos perspektyvą. Jie rodo, kad Žemė, kaip ir kitos uolinės planetos Merkurijaus ir MarsasJis atvėsta ir tampa inertiškas daug greičiau nei tikėtasi“, – aiškina Murakami.

Tačiau jis negali pasakyti, kiek laiko prireiktų, pavyzdžiui, kol mantijoje sustotų konvekcinės srovės. „Mes vis dar nepakankamai žinome apie tokio tipo įvykius, kad galėtume nustatyti jų laiką.” Norint tai padaryti, pirmiausia reikia geriau suprasti, kaip konvekcija veikia erdvės ir laiko mantijoje. Be to, mokslininkai turi išsiaiškinti, kaip radioaktyvių elementų skilimas Žemės viduje – vienas iš pagrindinių šilumos šaltinių – veikia mantijos dinamiką.

Nuoroda: „Motohiko Murakami, Alexander F. Goncharov, Nobuyoshi Miyajima, Daisuke Yamazaki ir Nicholas Holtgrove, 2021 m. gruodžio 8 d. Žemės ir planetų mokslo laiškai.
DOI: 10.1016 / j.epsl.2021.117329