Afbeelding tegoed: NASA
Geologen van de Universiteit van Berkeley zijn van mening dat radioactief kalium een aanzienlijke warmtebron in de aardkern kan zijn. De geologen ontdekten echter dat kalium een zware legering kan vormen met ijzer onder hoge temperaturen en drukken, dus het is misschien net tot het midden van de aarde gezonken en kan een klein onderdeel van de kern vormen - maar een vijfde van de hitte.
Radioactief kalium, algemeen genoeg op aarde om kaliumrijke bananen tot een van de "heetste" voedingsmiddelen te maken, lijkt ook een aanzienlijke warmtebron in de kern van de aarde te zijn, volgens recente experimenten door geofysici van de Universiteit van Californië, Berkeley.
Radioactief kalium, uranium en thorium worden beschouwd als de drie belangrijkste warmtebronnen in het binnenste van de aarde, afgezien van die veroorzaakt door de vorming van de planeet. Samen zorgt de warmte ervoor dat de mantel actief blijft draaien en de kern een beschermend magnetisch veld genereert.
Maar geofysici hebben veel minder kalium in de aardkorst en mantel gevonden dan verwacht zou worden op basis van de samenstelling van rotsachtige meteoren die de aarde zouden hebben gevormd. Als, zoals sommigen hebben gesuggereerd, het ontbrekende kalium zich in de ijzeren kern van de aarde bevindt, hoe kwam dan een element zo licht als kalium daar, vooral omdat ijzer en kalium niet vermengen?
Kanani Lee, die onlangs haar Ph.D. van UC Berkeley en UC Berkeley hoogleraar aard- en planetaire wetenschap Raymond Jeanloz hebben een mogelijk antwoord ontdekt. Ze hebben aangetoond dat kalium bij de hoge drukken en temperaturen in het binnenste van de aarde een legering met ijzer kan vormen die nog nooit eerder is waargenomen. Tijdens de vorming van de planeet had deze kalium-ijzerlegering tot in de kern kunnen zijn gezonken, waardoor kalium in de bovenliggende mantel en korst is uitgeput en een radioactieve kaliumwarmtebron is ontstaan naast die geleverd door uranium en thorium in de kern.
Lee creëerde de nieuwe legering door ijzer en kalium tussen de uiteinden van twee diamanten te drukken tot temperaturen en drukken die kenmerkend zijn voor 600-700 kilometer onder het oppervlak - 2500 graden Celsius en bijna 4 miljoen pond per vierkante inch, of een kwart miljoen keer atmosferisch druk.
"Onze nieuwe bevindingen geven aan dat de kern wel 1.200 delen per miljoen kalium kan bevatten - iets meer dan een tiende van een procent", zei Lee. “Deze hoeveelheid lijkt misschien klein en is vergelijkbaar met de concentratie radioactief kalium die van nature in bananen aanwezig is. Gecombineerd over de hele massa van de kern van de aarde kan het echter genoeg zijn om een vijfde van de door de aarde afgegeven warmte te leveren. "
Lee en Jeanloz zullen hun bevindingen rapporteren op 10 december, tijdens de bijeenkomst van de American Geophysical Union in San Francisco, en in een artikel dat wordt geaccepteerd voor publicatie in Geophysical Research Letters.
“Met één experiment lieten Lee en Jeanloz zien dat kalium een belangrijke warmtebron kan zijn voor de geodynamo, als uitweg uit een aantal lastige aspecten van de thermische evolutie van de kern, en verder aangetoond dat moderne computationele minerale fysica niet alleen complementair is aan experimenteel werk, maar dat het een leidraad kan zijn voor vruchtbare experimentele verkenningen, 'zei Mark Bukowinski, hoogleraar aard- en planeetwetenschappen aan UC Berkeley, die de ongebruikelijke legering halverwege de jaren zeventig voorspelde.
Geofysicus Bruce Buffett van de Universiteit van Chicago waarschuwt dat er meer experimenten moeten worden gedaan om aan te tonen dat ijzer kalium daadwerkelijk kan wegtrekken van de silicaatgesteenten die domineren in de aardmantel.
'Ze bewezen dat het mogelijk was om kalium op te lossen in vloeibaar ijzer', zei Buffet. “Modelbouwers hebben warmte nodig, dus dit is één bron, omdat de radiogene isotoop van kalium warmte kan produceren en dat kan de convectie in de kern versterken en het magnetische veld aandrijven. Ze bewezen dat het erin kon. Wat belangrijk is, is hoeveel er uit het silicaat wordt getrokken. Er is nog werk aan de winkel "
Als er een aanzienlijke hoeveelheid kalium in de aardkern zit, zou dit een slepende vraag ophelderen - waarom de verhouding van kalium tot uranium in steenachtige meteorieten (chondrieten), die vermoedelijk samengevoegd zijn om de aarde te vormen, acht keer groter is dan de waargenomen verhouding in de aardkorst. Hoewel sommige geologen hebben beweerd dat het ontbrekende kalium in de kern zit, was er geen mechanisme waardoor het de kern had kunnen bereiken. Andere elementen zoals zuurstof en koolstof vormen verbindingen of legeringen met ijzer en werden vermoedelijk door ijzer naar beneden getrokken terwijl het naar de kern zonk. Maar bij normale temperatuur en druk associeert kalium niet met ijzer.
Anderen hebben beweerd dat het ontbrekende kalium tijdens het vroege, gesmolten stadium van de evolutie van de aarde is weggekookt.
De demonstratie van Lee en Jeanloz dat kalium in ijzer kan oplossen om een legering te vormen, geeft een verklaring voor het ontbrekende kalium.
"Vroeg in de geschiedenis van de aarde zouden de binnentemperatuur en -druk niet hoog genoeg zijn geweest om deze legering te maken," zei Lee. "Maar naarmate meer en meer meteorieten zich opstapelden, zouden de druk en temperatuur zijn toegenomen tot het punt waarop deze legering zich zou kunnen vormen."
Het bestaan van deze hogedruklegering werd halverwege de jaren zeventig voorspeld door Bukowinski. Met behulp van kwantummechanische argumenten suggereerde hij dat hoge druk het enige buitenste elektron van kalium in een lagere schaal zou persen, waardoor het atoom op ijzer zou lijken en dus eerder op ijzer zou worden gelegeerd.
Meer recente kwantummechanische berekeningen met behulp van verbeterde technieken, uitgevoerd met Gerd Steinle-Neumann aan de Universit? T Bayreuth's Bayerisches Geoinstit? T, bevestigden de nieuwe experimentele metingen.
"Dit repliceert en verifieert echt de eerdere berekeningen 26 jaar geleden en biedt een fysieke verklaring voor onze experimentele resultaten", zei Jeanloz.
Men denkt dat de aarde is ontstaan door de botsing van vele rotsachtige asteroïden, misschien honderden kilometers in diameter, in het vroege zonnestelsel. Naarmate de proto-aarde geleidelijk groter werd, hielden voortdurende asteroïde botsingen en instorting van de zwaartekracht de planeet gesmolten. Zwaardere elementen? in het bijzonder ijzer - zou in 10 tot 100 miljoen jaar tot de kern zijn gezonken, met andere elementen die aan ijzer binden.
Geleidelijk zou de aarde echter zijn afgekoeld en een dode rotsachtige bol zijn geworden met een koud ijzeren bal als kern, zo niet voor de voortdurende afgifte van warmte door het verval van radioactieve elementen zoals kalium-40, uranium-238 en thorium-232 , die een halfwaardetijd hebben van respectievelijk 1,25 miljard, 4 miljard en 14 miljard jaar. Ongeveer een op de duizend kaliumatomen is radioactief.
De warmte die in de kern wordt gegenereerd, verandert het ijzer in een convectiedynamo die een magnetisch veld behoudt dat sterk genoeg is om de planeet tegen de zonnewind te beschermen. Deze warmte lekt uit in de mantel en veroorzaakt convectie in de rots die aardkorstplaten beweegt en vulkanen van brandstof voorziet.
Het was echter moeilijk om de in de kern opgewekte warmte in evenwicht te brengen met de bekende concentraties van radiogene isotopen, en het ontbrekende kalium was een groot deel van het probleem. Een onderzoeker stelde eerder dit jaar voor dat zwavel kalium kan helpen associëren met ijzer en een middel biedt waarmee kalium de kern kan bereiken.
Het experiment van Lee en Jeanloz laat zien dat zwavel niet nodig is. Lee combineerde zuiver ijzer en puur kalium in een aambeeldcel met diamant en kneep het kleine monster tot 26 gigapascal druk terwijl hij het monster verwarmde met een laser boven 2500 Kelvin (4000 graden Fahrenheit), wat boven de smeltpunten van zowel kalium als ijzer ligt. Ze voerde dit experiment zes keer uit in de röntgenstralen van hoge intensiteit van twee verschillende versnellers - de geavanceerde lichtbron van Lawrence Berkeley National Laboratory en het Stanford Synchrotron Radiation Laboratory - om röntgendiffractiebeelden van de interne structuur van de monsters te verkrijgen. De afbeeldingen bevestigden dat kalium en ijzer gelijk waren gemengd om een legering te vormen, net zoals ijzer en koolstof om een staallegering te vormen.
In de theoretische magma-oceaan van een proto-aarde zou de druk op een diepte van 400-1.000 kilometer (270-670 mijl) tussen 15 en 35 gigapascal zijn en de temperatuur zou 2.200-3.000 Kelvin zijn, zei Jeanloz.
"Bij deze temperaturen en drukken verandert de onderliggende fysica en verschuift de elektronendichtheid, waardoor kalium meer op ijzer lijkt", zei Jeanloz. "Onder hoge druk ziet het periodiek systeem er totaal anders uit."
"Het werk van Lee en Jeanloz is het eerste bewijs dat kalium inderdaad onder hoge druk mengbaar is in ijzer en, misschien wel zo belangrijk, het bevestigt de computationele fysica die ten grondslag ligt aan de oorspronkelijke voorspelling," zei Bukowinski. "Als verder kan worden aangetoond dat kalium in aanzienlijke hoeveelheden ijzer zou binnendringen in aanwezigheid van silicaatmineralen, omstandigheden die representatief zijn voor waarschijnlijke kernvormingsprocessen, dan zou kalium de extra warmte kunnen leveren die nodig is om uit te leggen waarom de binnenkern van de aarde niet is bevroren tot zo groot als de thermische geschiedenis van de kern suggereert. ”
Jeanloz is enthousiast over het feit dat theoretische berekeningen nu niet alleen experimentele bevindingen onder hoge druk verklaren, maar ook structuren voorspellen.
"We hebben theoretici nodig om interessante problemen te identificeren en niet alleen onze resultaten na het experiment te controleren", zei hij. 'Dat gebeurt nu. De afgelopen zes jaar hebben theoretici voorspellingen gedaan die experimentalisten bereid zijn om een paar jaar te demonstreren. '
Het werk werd gefinancierd door de National Science Foundation en het Department of Energy.
Oorspronkelijke bron: University of Berkeley News Release
