Neobičan materijal koji se ponaša poput mješavine tekućine i krute tvari mogao bi biti skriven duboko u Zemlji. Računalne simulacije opisane u dvije studije sugeriraju da bi materijal u Zemljinoj unutrašnjoj jezgri, koji uključuje željezo i druge, lakše elemente, mogao biti u "superionskom" stanju. To znači da, dok željezo ostaje postojano, kao u krutoj tvari, lakši elementi teku poput tekućine, piše Science News.
Istraživanje daje potencijalni pogled na unutarnje djelovanje zagonetnog, nepristupačnog područja planeta. Prema konvencionalnim naučnim spoznajama, Zemljina se jezgra sastoji od tekuće vanjske jezgre koja okružuje čvrstu unutarnju jezgru (SN: 1/28/19). No, osim što znaju da je unutarnja jezgra bogata željezom, naučnici ne znaju tačno koji su drugi elementi prisutni i u kojim količinama. "Unutarnju jezgru je vrlo teško proučiti jednostavno zato što je tako duboko pod našim nogama", kaže geofizičar Hrvoje Tkalčić s Australskog nacionalnog univerziteta u Canberri.
Zbunjeni istraživači
Seizmički valovi izazvani potresima mogu proći kroz unutrašnju jezgru, dajući naznake o tome šta je unutra, no mjerenja ovih valova ostavila su istraživače zbunjenima. Brzina jedne vrste vala, nazvan posmičnim valom, niža je od očekivane za čvrsto željezo ili za mnoge vrste željeznih legura - mješavine željeza s drugim materijalima. "To je misterij o unutrašnjoj jezgri", kaže geofizičar Yu He s Kineske akademije nauka u Guiyangu.
U jednoj novoj studiji, He i njegovi saradnici simulirali su skupinu od 64 atoma željeza, zajedno s raznim vrstama lakših elemenata - vodikom, ugljikom i kisikom - pod pritiskom i temperaturama očekivanim za unutarnju jezgru. U normalnoj krutoj tvrari atomi se poredaju u uređenu mrežu, čvrsto držeći svoje pozicije. U superionskom materijalu, neki od atoma su raspoređeni uredno, kao u krutoj tvari, dok su drugi "slobodni duhovi" nalik tekućini koji klize ravno kroz čvrstu rešetku. U simulaciji, otkrili su istraživači, lakši elementi su se pomicali dok je željezo ostalo na mjestu.
Taj superionski status usporio je posmične valove, izvijestili su istraživači 9. februara u časopisu Nature, sugerirajući da bi čudna faza materije mogla objasniti neočekivanu brzinu posmičnog vala izmjerenu u unutarnjoj jezgri. Smični valovi, također poznati kao sekundarni ili S valovi, pomiču Zemlju okomito na njihov smjer kretanja, poput valova koji se kreću duž užeta za skakanje koje se pomiče gore-dolje. Drugi valovi, koji se nazivaju primarni ili P valovi, sabijaju i proširuju Zemlju u smjeru paralelnom njihovom putu, poput harmonike.
Da bi objasnili unutrašnju jezgru, naučnici moraju pronaći kombinaciju elemenata koja je u skladu sa svime što naučnici znaju o unutrašnjoj jezgri, uključujući njezinu brzinu S vala, brzinu P vala i njegovu gustoću. "Morate uskladiti sve tri stvari, inače ne funkcionira", kaže fizičar John Brodholt sa University College London.
Simulacija unutarnje jezgre
U studiji objavljenoj u augustu 2021. u Earth and Planetary Science Letters, Brodholt i kolege učinili su upravo to. Simulacija atoma željeza, silicija i vodika reproducirala je poznate karakteristike unutrašnje jezgre. U simulaciji je materijal također bio superionski: željezo i silicij ostali su na mjestu dok je vodik tekao poput tekućine.
No Brodholt napominje da je njihov rezultat samo jedno od mogućih objašnjenja za svojstva unutarnje jezgre. Brodholt i njegovi kolege prethodno su pronašli druge kombinacije elemenata koji bi mogli objasniti unutarnju jezgru bez superionizma, kaže on, ostavljajući neriješenim pitanje šta se krije u najdubljim dubinama Zemlje.
Još jedna zagonetka Zemljinog srca je činjenica da se struktura unutarnje jezgre s vremenom mijenja. To je prije tumačeno kao dokaz da se unutarnja jezgra rotira različitom brzinom od ostatka Zemlje. No, He i saradnici sugeriraju da bi to umjesto toga moglo biti rezultat gibanja svjetlosnih elemenata nalik tekućini koji se kovitlaju unutar jezgre i mijenjaju raspodjelu elemenata tokom vremena. "Ovaj rad na neki način nudi objašnjenje za oba ova fenomena" - sporu brzinu posmičnog vala i strukturu koja se pomiče - kaže Tkalčić, koji nije bio uključen ni u jednu novu studiju.
Nedostaju laboratorijski eksperimenti koji bi pokazali kako se te kombinacije elemenata ponašaju u uvjetima unutrašnje jezgre, kaže geofizičar Daniele Antonangeli sa Ubiverziteta Sorbonne u Parizu, koji nije bio uključen u novo istraživanje. Takvi testovi bi mogli pomoći potvrditi jesu li simulacije tačne.
Prethodni eksperimenti pronašli su dokaze da vodeni led može postati superionski, možda pod uvjetima unutar Urana ili Neptuna, ali istraživači još ne mogu ponovno stvoriti uvjete za koje se smatra da postoje unutar Zemljine jezgre. Dakle, naučnici će morati nastaviti raditi testove do daljnjih ekstrema, kaže Antonangeli. "Eksperimentalist koji je u meni žudi da vidi eksperimentalnu validaciju ovoga."
