Vety virtaa kiinteän raudan läpi Maan ytimen olosuhteissa

Kuvittele pieniä vedyvirtauksia, jotka kulkevat kiinteän raudan läpi syvällä jalkojesi alla. Se kuulostaa tieteiskirjallisuudelta, mutta uudet laboratoriotutkimukset viittaavat siihen, että Maan sisimmän ytimen murskaavien paineiden ja polttavan kuuman lämpötilan alla vety voi virrata rautakiteen sisällä samalla kun rauta pysyy kiinteänä.

Tutkijat ovat löytäneet kokeellista näyttöä siitä, että vety voi muuttua erittäin liikkuvaksi kiinteän raudan sisällä ääriolosuhteissa.

Ytimen tutkiminen pienoiskoossa

Tutkiakseen ainetta olosuhteissa, joita harvoin esiintyy missään maapallolla, Tokion tiedeinstituutin tutkijat loivat pienen palasen sisimmästä ytimestä timanttipuristimen sisään. Pienet näytteet kasvokeskisestä kuutiorakenteesta rauta-hydridistä, FeHX, puristettiin paineisiin välillä 50 ja 110 gigapaskalia ja lämmitettiin lasereilla yli 2 000 kelviniin. Samalla ajanresoluutioinen synkrotroninen röntgendiffraktio seurasi, miten kiderakenne muuttui lämpötilan ja paineen noustessa.

Rauta-hydridiä puristettiin laserilla lämmitetyssä timanttipuristimessa ja analysoitiin synkrotroniröntgendiffraktiolla, mikä paljasti todisteita superionisesta tilasta. 

Miksi tämä laitteisto on tärkeä: timanttipuristimet voivat jäljitellä planeettojen sisäosien valtavaa rasitusta millimetrin kokoisessa näytteessä, ja synkrotroninen röntgendiffraktio lukee rakenteen subatomisella tarkkuudella. Tiimi, jota johtivat tohtoriopiskelijat Yoshihiro Nagaya ja Yusuke Okazaki sekä professori Kenji Ohta, seurasi kideverkoston tilavuuden kehitystä, kun vety tunkeutui ja järjestäytyi raudassa. Lähes 1 590 kelviniin läheisellä kriittisellä lämpötilalla aineisto osoitti tyypillisen lambda-muotoisen anomalian lämpölaajenemisessa, mikä on aiemmin havaittu muissa superionisissa materiaaleissa.

Anomalia salli tutkijoiden määrittää rajan tavallisen kiinteän FeHX:n ja superionisen vaiheen välille, jossa vety muuttuu erittäin liikkuvaksi samalla kun rautaverkko pysyy enimmäkseen ehjänä. Kun tuo raja ekstrapoloitiin paineisiin, joita odotetaan Maan sisimmässä ytimessä, ennustettu siirtymislämpötila asettui selvästi nykyisten sisimmäisen ytimen lämpötilaarvioiden alapuolelle. Lyhyesti: planeettamme keskusolot suosivat superionista muotoa vetyä sisältävälle raudalle.

Mitä tämä tarkoittaa ytimen dynamiikalle ja seismisille signaaleille

Superioninen käyttäytyminen ei ole vain kuriositeetti. Jos vety liikkuu muuten jäykässä rautakiteessä, kokonaismekaaniset ominaisuudet muuttuvat. Leikkausta vastaan pehmeämpi kideverkko voisi selittää joitakin hämmentäviä havaintoja: seismiset leikkausaallot kulkevat sisimmässä ytimessä yllättävän hitaasti verrattuna yksinkertaisiin rautamalleihin. Liikkuvat kevyet alkuaineet, kuten vety, tarjoavat uskottavan mekanismin, joka alentaa leikkauskimmokkuutta ilman, että ydin sulaisi kokonaan.

Tiimi meni rakenteellisia merkkejä pidemmälle testatakseen, muuttuiko vety todella liikkuvaksi. Toisessa sarjassa ajanresoluutioisia röntgendiffraktiokokeita he sovelsivat lämmitettyihin ja paineistettuihin näytteisiin jännitteen ja havaitsevat äkillisen vedyn uudelleenjakautumisen näytteen akselilla. Näytteen nopea jäähdytys lukitsi tämän uudelleenjakautumisen, tarjoten suoran kokeellisen todisteen siitä, että vety oli siirtynyt korkealämpötilaisessa faasissa. Näytteen geometriaa ja käytettyä jännitystä hyödyntäen tutkijat arvioivat liikkuvuuden olevan suuruusluokkaa 1 µm2 J^-1 s^-1 ja johtivat diffuusiokertoimen olevan noin 10^3 µm2 s^-1.

Nuo luvut kuulostavat suurilta, mutta mittakaava ja aikaskaalat ratkaisevat. Maan geomagneettikentän ajama siirtymä liikuttaisi vetyä vain noin 0,1 µm 10 000 vuodessa. Tällä nopeudella matka, joka vastaa sisimmän ytimen noin 1 200 kilometrin säteen suuruutta, kestäisi yli sata kertaa planeetan nykyisen iän. Joten vaikka vety voi virrata raudan sisällä ytimen olosuhteissa, se olisi geologisilla aikaskaaloilla käytännössä lukittuna. Materiaali, joka kertyi Maan muodostuksen aikana, voisi säilyä ytimen sisällä planeetan eliniän ajan.

Laajemmat seuraukset ja seuraavat vaiheet

Nämä kokeet tarjoavat puuttuvan palan sisimmän ytimen koostumuksen arvoitukseen. Aiemmin superioninen hypoteesi perustui pääosin molekyylidynamiikkasimulaatioihin ja teoreettisiin ennusteisiin. Suora laboratoriotodiste vahvistaa, että kevyet alkuaineet, vety niiden joukossa, auttavat muovaamaan Maan syvimpien alueiden mekaanista, termistä ja sähkömagneettista käyttäytymistä.

Kysymyksiä jää. Kuinka paljon vetyä ydin voi todellisuudessa isännöidä? Kytkeytyykö superioninen kuljetus magneettisiin tai konvektiivisiin prosesseihin ulommassa ytimessä? Entä miten happi, hiili tai pii vuorovaikuttavat vedyrikkaiden faasien kanssa samanlaisissa olosuhteissa? Näiden selvittäminen vaatii täydentäviä lähestymistapoja: lisää laboratoriokokeita vielä korkeammissa paineissa ja lämpötiloissa, tarkennettuja diffuusiomittauksia sekä parannettuja geofysikaalisia malleja, jotka yhdistävät nämä uudet havainnot ennusteisiin seismisestä anisotropiasta ja ytimen kehityksestä.

Asiantuntijan näkökulma

"Tämä työ siirtää keskustelun teoriasta konkreettiseen kokeeseen", sanoo tohtori Elena Marconi, geofysiikan tutkija, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. "Kun näkee vedyn uudelleenjakautuvan laserilla lämmitetyssä näytteessä, se on vakuuttava todiste siitä, että superioniset vaiheet ovat todellisia mahdollisuuksia planeettojen sisällä. Se pakottaa meidät tarkistamaan ytimen dynamiikan ja lämpöhistorian mallit uusilla näkökulmilla."

Professori Kenji Ohta ja hänen opiskelijansa korostavat, että rauta-kevyistä alkuaineista koostuvien seosten superioninen tila voi esiintyä vain erittäin korkeissa paineissa ja erittäin korkeissa lämpötiloissa, minkä vuoksi sitä ei ollut havaittu suoraan aiemmin. Heidän löydöksensä, julkaistu arvostetussa geotieteiden julkaisussa, antaa kokeellisen ankkurin vuosikymmenten simulaatioihin perustuneelle spekulaatiolle.

Yhteenveto

Vedyn kyky liikkua kiinteän rautakehyksen läpi ytimen kaltaisissa olosuhteissa muuttaa käsitystämme Maan keskuksesta. Sisintä ydintä voi pitää monimutkaisempana kuin pelkkänä rautapallona: jäykkänä tukirakenteena, jota läpäisevät liikkuvat kevyet alkuaineet ja jotka vaikuttavat seismiseen käyttäytymiseen, kemialliseen kehitykseen sekä alkuperäisten aineiden pitkäaikaiseen säilymiseen. Löytö muistuttaa, että jopa tiiveimmät ja vaikeimmin saavutettavat planeettamme osat voivat kätkeä yllättäviä sisäisiä liikkeitä.

Tärkein johtopäätös: sisimmän ytimen olosuhteissa rauta-hydridi voi siirtyä superioniseen tilaan, jossa vety virtaa kiinteän rautakiteen läpi. Tämä ilmiö vaikuttaa mitattavissa olevalla tavalla ytimen ominaisuuksiin ja syvän Maan kehitykseen.