اكتشاف حالة غامضة من المادة تتدفق داخل باطن الأرض ScienceAle

من خلال إطلاق مقذوفات صغيرة من سبائك الحديد والكربون من مدفع عالي السرعة، أثبت العلماء أخيرًا أن الحالة الغريبة التي نصفها صلبة والسائلة جزئيًا، والتي يُعتقد أنها موجودة داخل النواة الداخلية للأرض، هي أمر ممكن بالفعل.

هذا فائق السرعة حالة المادة قد يفسر بدقة بعض السلوكيات غير العادية في القلب، مثل الطريقة التي يبطئ بها موجات معينة، والقياسات التي تشير إلى أنه اسفنجي مثل الزبدة وليس جامدًا مثل الفولاذ البارد.

“لأول مرة، أظهرنا تجريبيًا أن سبيكة الحديد والكربون في ظل الظروف الأساسية الداخلية تظهر سرعة قص منخفضة بشكل ملحوظ” يقول الفيزيائي يوجون تشانغ من جامعة سيتشوان في الصين.

“في هذه الحالة، تصبح ذرات الكربون شديدة الحركة، وتنتشر عبر إطار الحديد البلوري مثل الأطفال الذين ينسجون خلال رقصة مربعة، بينما يظل الحديد نفسه صلبًا ومنظمًا. وهذا ما يسمى بـ “المرحلة فوق الصوتية” يقلل بشكل كبير من صلابة السبيكة.”

متعلق ب: بعد بحث دام 20 عامًا، اكتشف العلماء أخيرًا النواة الأعمق الحقيقية للأرض

منذ الثلاثينياتإن النظرة السائدة لباطن الأرض اتبعت نموذج اللب الخارجي السائل المنصهر واللب الداخلي. سحقت بالضغط أنه يظل صامدا رغم ذلك الحرارة السائدة الشديدة. ومع ذلك، تم الحصول على بعض الأدلة من البيانات الزلزالية على مدى العقود ألمح إلى أننا لا نرى الصورة الكاملة.

إن فهمنا للبنية الداخلية للأرض يأتي من الملاحظات الزلزالية. الطريق الموجات الصوتية لقد منحنا التحرك عبر المواد ذات الخصائص المختلفة والارتداد عنها فهمًا تفصيليًا جدًا للبنية الداخلية لكوكبنا. لكن السرعة المنخفضة لموجات القص عبر القلب على وجه الخصوص تشير إلى أنه إذا كان صلبًا، فهو ليس بالطريقة التي اعتدنا عليها.

وفي عام 2022، سيتمكن فريق بقيادة عالم الجيوفيزياء يو هي من الأكاديمية الصينية للعلوم أثبتت نظريا أن التفوق قد يحل اللغز. في حين أن الضغط الهائل لكل وزن الأرض في النواة الداخلية يجتمع للحفاظ على الحديد في مصفوفة صلبة، فإن الحرارة الشديدة تسمح للذرات الأخف بالتدفق والرقص مثل السائل – وهي حالة فائقة التأين تكون صلبة وسائلة.

وقد أكدت الأدلة التجريبية هذا الاحتمال للتو. استخدم تشانغ وهي وزملاؤهم تقنية تسمى ضغط الصدمات الديناميكي لسحق قطعة صغيرة من سبيكة الحديد والكربون بقوة شديدة بحيث تتصرف تمامًا كما يجب أن تتصرف نفس السبيكة في النواة الداخلية للأرض.

استخدموا لتسريع عيناتهم بنادق الغاز الخفيفة ذات مرحلتين – أجهزة عالية الدقة تعتمد على البارود الذي لا يدخن والغاز المضغوط لإرسال جزيئات صغيرة تطير بسرعات قصوى.

في هذه التجربة، تم إطلاق مقذوف الحديد والكربون بسرعات تزيد عن 7 كيلومترات (4.3 ميل) في الثانية على هدف فلوريد الليثيوم شديد الانضغاط. ويولد الاصطدام صدمة عكسية تضغط العينة إلى ضغوط تصل إلى 140 جيجاباسكال ودرجات حرارة قريبة من 2600 كلفن (2327 درجة مئوية، أو 4220 درجة فهرنهايت).

هذا ليس متطرفًا تمامًا مثل النواة الداخلية، والتي لديها نطاق ضغط يتراوح بين 330 إلى 360 غيغاباسكال ودرجات حرارة تصل إلى 5000 إلى 6000 كلفن، ولكنها عالية بما يكفي لمحاكاة الجوانب الرئيسية للبيئة الأساسية.

تستمر هذه الظروف المحاكاة من نانوثانية إلى ميكروثانية فقط، ولكنها طويلة بما يكفي لفحص درجة الحرارة والكثافة وانتشار الموجات الصوتية باستخدام الليزر وأجهزة الاستشعار السريعة.

ومن المؤكد أن النتائج تطابقت مع سرعة موجة القص المنخفضة وقياس الإسفنجية – التمدد والانكماش – المعروفة باسم نسبة بواسون لوحظ في القراءات الزلزالية للنواة الداخلية للأرض.

وفي ظل هذه الظروف، أظهر الباحثون أن المصفوفة الحديدية تظل ثابتة في مكانها باتمانبينما يتدفق الكربون بين الفجوات مثل روبن يقفز.

انها أنيقة جدا. إنه يفسر سبب ظهور البيانات الزلزالية بالطريقة التي تظهر بها – ومع البيانات التجريبية، أقرب ما سنصل إلى اللب الداخلي نفسه – يسوي المناقشات الطويلة الأمد حول كيفية تصرف العناصر الخفيفة تحت ضغوط شديدة.

قد يؤدي هذا أيضًا إلى رؤى جديدة حول الأرض المجال المغنطيسي، وهو هيكل ضخم انطلق إلى الفضاء من رقصة التوصيل والحمل الحراري في أعماق الكوكب.

“نحن نبتعد عن النموذج الثابت والصلب للنواة الداخلية نحو نموذج ديناميكي” يقول تشانغ. “إن فهم هذه الحالة الخفية للمادة يقربنا خطوة واحدة من كشف أسرار التصميم الداخلي للكواكب الشبيهة بالأرض.”

وقد تم نشر البحث في مراجعة العلوم الوطنية.