تبريد باطن الأرض “أسرع بكثير مما كان متوقعًا”

أظهر الباحثون في ETH Zurich في المختبر مدى جودة تسخين معدن شائع عند الحدود بين مركز الأرض والعباءة لتوصيل الحرارة. يؤدي هذا إلى الشك في أن حرارة الأرض ستذوب أسرع مما كان يعتقد سابقًا.

تطور كوكبنا هو قصة بروده: منذ 4.5 مليار سنة ، سادت درجات الحرارة القصوى على سطح الأرض الفتية ، وغطتها أعماق المحيط من الصهارة. على مدى ملايين السنين ، برد سطح الكوكب وشكلت قشور هشة. ومع ذلك ، فإن الكمية الهائلة من الطاقة الحرارية المنبعثة من باطن الأرض تُنشئ عمليات ديناميكية مثل الحمل الحراري للوشاح وتكتونية الصفائح والبراكين.

ومع ذلك ، فإن الأسئلة المتعلقة بمدى سرعة تبريد الأرض والمدة التي سيستغرقها التبريد الحالي لإيقاف العمليات الحرارية المذكورة أعلاه تظل بلا إجابة.

قد تكون إحدى الإجابات المحتملة في الموصلية الحرارية للمعادن التي تشكل الحد بين لب الأرض وسطحها.

هذه الطبقة الحدودية مناسبة لأن الصخور اللزجة في وشاح الأرض على اتصال مباشر مع ذوبان الحديد والنيكل الساخن في اللب الخارجي للكوكب. التدرج في درجة الحرارة بين الطبقتين شديد الانحدار ، لذلك هناك احتمال لمزيد من تدفق الحرارة هنا. تتكون الطبقة الحدودية أساسًا من معدن بريدجمانيت. ومع ذلك ، فإن التحقق التجريبي صعب للغاية لأن الباحثين يجدون صعوبة في تقدير مقدار الحرارة التي يمر بها هذا المعدن من مركز الأرض إلى القشرة.

الآن ، طور أستاذ ETH Motohiko Murakami وزملاؤه في معهد كارنيجي للعلوم نظام قياس متطورًا يمكنه قياس التوصيل الحراري للجسر في المختبر تحت ظروف الضغط ودرجة الحرارة داخل الأرض. بالنسبة للقياسات ، استخدموا طريقة قياس الامتصاص البصري التي تم تطويرها مؤخرًا على وحدة ماسية يتم تسخينها بواسطة ليزر نابض.

جهاز قياس لتحديد التوصيل الحراري للبريدجمانيت تحت الضغط العالي ودرجة الحرارة القصوى. الائتمان: Murakami M et al. ، 2021

يقول موراكامي: “يمكن أن تُظهر طريقة القياس هذه أن الموصلية الحرارية للبريدزمانيت أعلى بمقدار 1.5 مرة مما كان متوقعًا”. يشير هذا إلى أن تدفق الحرارة من المركز إلى الوشاح أكبر مما كان يُعتقد سابقًا. كلما زاد تدفق الحرارة ، زاد الحمل الحراري المتراكب وأسرع تبريد الأرض. قد يكون هذا بسبب الصفائح التكتونية التي تحركها حركات الحمل الحراري في الوشاح ، أكثر مما توقع الباحثون بناءً على قيم التوصيل الحراري السابقة.

أظهر موراكامي وزملاؤه أن التبريد السريع للسطح سيحول الأطوار المعدنية المستقرة عند حدود اللب-الوشاح. عندما يبرد ، يصبح Bridgetnite معدنًا لما بعد البيروفسكايت. ولكن عندما بدأ نواة ما بعد فروسكيد بالظهور والسيطرة على الحدود ، قدر الباحثون أن تبريد الوشاح يمكن أن يتسارع في الواقع لأن المعدن ينقل الحرارة بشكل أكثر كفاءة من بريدزمونيت.

“قد تعطينا نتائجنا منظورًا جديدًا لتطور ديناميكيات الأرض. يوم الثلاثاءيبرد بشكل أسرع مما كان متوقعًا ، “يوضح موراكامي.

ومع ذلك ، لم يستطع تحديد الوقت الذي ستستغرقه تيارات الحمل في الوشاح لتتوقف. “نحن لا نعرف حتى الآن ما يكفي عن هذه الأنواع من الأحداث لحساب وقتهم.” للقيام بذلك ، فإنه يستدعي أولاً فهمًا أفضل لكيفية عمل الحمل الحراري في الوشاح على أساس مكاني وزمني. علاوة على ذلك ، يحتاج العلماء إلى توضيح كيفية تأثير اضمحلال العناصر المشعة داخل الأرض – أحد المصادر الرئيسية للحرارة – على حركية الوشاح.

ملحوظة: موتوهيكو موراكامي ، ألكسندر إف. جونشاروف ، نوبويوشي مياجيما ، دايسوكي يامازاكي ونيكولاس هولتجروفي ، ديسمبر 2021 ، “التوصيل الحراري الإشعاعي لبريدجتمان أحادي البلورة عند حدود منتصف ماندال مع الآثار المترتبة على تطور الدفء العالمي”. رسائل من علوم الأرض والكواكب.
DOI: 10.1016 / j.epsl.2021.117329