يمكن أن يفقد المريخ مجاله المغناطيسي بسبب التقسيم الطبقي الأساسي


أرز. 1. نيزك قطع رأى الحديد

من المعروف أنه عند ضغط 100 كيلو باسكال (1 جو) ودرجة حرارة عالية في الذوبان في نظام Fe-S-H-Si-C-O ، غالبًا ما يحدث الفصل – فصل سائل واحد إلى سائلين غير قابلين للامتزاج من مختلف تكوين. ومع ذلك ، كما أظهر عدد من الدراسات السابقة ، تختفي عدم القابلية للامتزاج مع زيادة الضغط إلى 10-30 جيجا باسكال. أتاحت التجارب الجديدة التي أجراها علماء من اليابان وفرنسا إثبات أنه مع زيادة أخرى في الضغط ، يصبح عدم الامتزاج بين Fe-H و Fe-S عند درجات حرارة منخفضة (<2000-3500 كلفن) ممكنًا مرة أخرى. تتوافق درجات الحرارة والضغوط والتركيبات المدروسة جيدًا مع الظروف الحديثة والقديمة في قلب المريخ ، مما يسمح لنا بعمل افتراض حول الدور الحاسم لعزل الحديد المنصهر في إنهاء الحمل الحراري في القلب. لهذا الكوكب ، ونتيجة لذلك ، اختفاء المجال المغناطيسي.

لب الأرض يتكون من جزأين – جزء خارجي سائل ، يحد الوشاح السفلي على عمق حوالي 2900 كم ، وجزء داخلي صلب ، يمتد حده على عمق حوالي 5150 كم. تم طرح فكرة أن الأرض لها نواة وأنها مكونة من الحديد اميل ويتشرت في وقت مبكر من عام 1896 ، كانت هذه نتيجة نظرية بحتة. تم تأكيد اقتراح Wiechert في عام 1906 من قبل الجيولوجي ريتشارد أولدهام (ريتشارد ديكسون أولدهام) ، الذي اكتشف اللب باستخدام المسوحات الزلزالية. ومع ذلك ، أكد أولدهام بشكل خاص في مقالته أنه لن يتعهد بتأكيد أي شيء حول تكوينه – كانت فكرة جوهر الأرض بشكل عام مضاربة للغاية في بداية القرن الماضي (آر.دي.أولدهام ، 1906. دستور باطن الأرض ، كما كشفته الزلازل). في السنوات اللاحقة ، أصبحت فكرة تكوين قلب الأرض في الغالب من الحديد مقبولة بشكل عام ، وفي عام 1936 أصبح عالم الزلازل الدنماركي إنجي ليمان اكتشف وجود طبقة سائلة خارجية.

نظرًا لعدم وجود طريقة مباشرة لقياس التركيب الكيميائي لجوهر الأرض ، فإن المناقشة حول نسبة العناصر الموجودة فيه لا تزال نشطة للغاية. يتفق المجتمع العلمي على أن جوهر الأرض يتكون في الغالب من الحديد ، ويحتوي على 5-6٪ نيكل ، و4-5٪ سيليكون ، و <10٪ عناصر ضوئية (S ، O ، C ، H) (J. Badro et al. ، 2014. نموذج تركيبي متسق من الناحية الزلزالية لب الأرض؛ K. Hirose et al.، 2013. تكوين وحالة القلب). ذكرت مراجعة العام الماضي أن التركيب الدقيق لا يزال غير معروف ، ولكن على الأرجح مجموعات العناصر التالية (بالنسبة المئوية للوزن): Fe ، 5٪ Ni ، 1.7٪ S ، 0–4 Si ، 0.8–5.3٪ O ، 0.2 ٪ C ، 0–0.26٪ H لللب الخارجي والحديد ، 5٪ Ni ، 0-1.1٪ S ، 0–2.3٪ Si ، 0–0.1٪ O ، 0-1.3٪ C ، 0-0.23٪ H للداخل.

ليس من الصعب تخمين وجود بيانات أقل حول جوهر المريخ. علمنا بحجمه – أنه يزيد قليلاً عن نصف قطر الكوكب – في العام الماضي فقط (انظر الأخبار ، أتاحت البيانات الزلزالية لبعثة InSight توضيح حجم الأصداف الجيولوجية للمريخ ، “العناصر” ، 09/02/2021). من المفترض أن التركيب الكيميائي لللب المريخ يشبه في الغالب تركيب الأرض ، ولكن مع بعض الانحرافات. وبالتالي ، بناءً على زيادة محتوى الكبريت في النيازك المريخية (نسبة إلى الصخور الأرضية) ، تم التوصل إلى استنتاج أولي مفاده أن عنصر الضوء الرئيسي هو الكبريت ، والذي يمكن أن يكون 10-15 بالوزن. ٪ (انظر S. Stähler et al. ، 2021. الكشف الزلزالي عن قلب المريخ). كما هو الحال على الأرض الآن ، فإن الحمل الحراري في قلب المريخ يضمن وجود مجال مغناطيسي. ومع ذلك ، على عكس كوكبنا ، توقفت هذه العملية منذ 4 مليارات سنة بسبب التبريد السريع للمريخ. بيانات المهمة تبصر جعل من الممكن تحديد أحد الأسباب المحتملة للتبريد السريع للنواة – حجمه الكبير جدًا ، ونتيجة لذلك ، عدم وجود طبقة عازلة للحرارة من المعدن بريدجمانيتا ((Mg ، Fe) SiO3) في الجزء السفلي من عباءة المريخ.

ومع ذلك ، فإن المؤلفين مقالاتتم نشره مؤخرًا في المجلة اتصالات الطبيعة، تقترح آلية أخرى يمكن أن تفسر الاختفاء المبكر للحقل المغناطيسي للمريخ. وفقًا لفرضيتهم ، بدأ الحمل الحراري في قلب المريخ وتوقف بسبب تصفيات: غرق ذوبان كبريتيد أكثر كثافة ، وشكل ذوبان خفيف Fe-H الطبقة السطحية للنواة.

يعتبر الفصل – تكسير المادة المنصهرة إلى عدة مكونات غير قابلة للامتزاج مع انخفاض درجة الحرارة – ظاهرة شائعة جدًا في أنظمة الصهارة الطبيعية (انظر ، على سبيل المثال ، صورة يوم الفحم مع عروق الكبريتيد). يفسر عدم وجود اختلاط بين ذوبان ، على سبيل المثال ، المعدن والكبريتيد (الشكل 1) ، بالاختلاف الأساسي في بنية هذه السوائل ، والنتيجة تشبه بصريًا قطرات الزيت في الماء. تمت دراسة حدوث عدم الامتزاج في نظام Fe-S-H-Si-C-O تحت الضغط الطبيعي ودرجة حرارة تصل إلى عدة آلاف من الدرجات بشكل جيد فيما يتعلق بأهميتها الحاسمة في علم المعادن وأسئلة تكوين نوى الكواكب. ومع ذلك ، تُظهر معظم الدراسات المتاحة أنه عند ضغوط تتجاوز 20 جيجا باسكال (على الأرض يتوافق هذا مع عمق 600 كم تقريبًا) ، تختفي عدم القابلية للامتزاج (C. Sanloup، Y. Fei، 2004. إغلاق فجوة الامتزاج السائل Fe – S – Si عند الضغط العالي).


أرز. 2. قوام المنتجات التي تم الحصول عليها أثناء الدراسة

تم استخلاص هذا الاستنتاج من سلسلة من التجارب التي أجريت في خلايا مع سندان الماس. تضمنت ثلاثة أنواع من مجموعات البداية من العناصر: Fe + S (10.3 بالوزن٪) ، Fe + S (2.1 بالوزن٪) + Si (2.5 بالوزن٪) ، Fe + S (6 ، 5 بالوزن٪) + O (5.2٪ بالوزن). بالإضافة إلى ذلك ، تمت إضافة البارافين إلى جميع التجارب كمصدر للكربون والهيدروجين. تمت إضافة السيليكون والأكسجين والكربون لتتناسب بشكل أفضل مع القائمة المقترحة للعناصر الخفيفة في القلب ، وكان الهيدروجين والكبريت المكونين الرئيسيين لما ينتج عن ذوبان Fe-H و Fe-S. قد تلاحظ عدم وجود نيكل في الاستنسل المحدد. على الأرجح ، هذا تبسيط متعمد للنظام ، لأنه من وجهة نظر الكيمياء الجيولوجية في الذوبان ، فإن النيكل والحديد لهما خصائص متشابهة جدًا. بعد التسخين السريع بالليزر ، تم تحليل القوام العياني والتركيبات البلورية وتركيبات المنتجات الناتجة باستخدام مسح المجهر الإلكترونيو الطاقة التشتت الأشعة السينية الطيفيو التحليل الإنشائي بالأشعة السينية وطرق أخرى.

في بعض التجارب (الشكل 2 ، 3) عند درجة حرارة عالية ، تم الحصول على سائل واحد فقط نتيجة ذوبان المادة. عند درجة حرارة تسخين منخفضة أو عند انخفاض درجة الحرارة في نفس التجربة (انظر ، على سبيل المثال ، الشكل 2 ، د والشكل 3 ، أ) ، تم الحصول على ذوبان غير قابلين للمزج ، في أحدهما زيادة محتوى الكبريت ( Fe-S-melt) ، وفي الآخر ، الهيدروجين (Fe-H-melt).


أرز. 3. منطقة عدم القابلية للامتزاج في نظام Fe – S – H – Si – C – O

أثناء الفصل ، لوحظ تجزئة العناصر: السليكون والأكسجين يتراكمان في الغالب في ذوبان Fe-S ، بينما فضل الكربون ذوبان Fe-H.

بناءً على هذه الملاحظة ، اقترح المؤلفون أنه بالنسبة إلى قلب المريخ الغني بالكبريت ، يمكن أن يؤدي الفصل (الشكل 4) ليس فقط إلى بداية الحمل الحراري ، ولكن أيضًا إلى إنهائه بعد اكتمال فصل السوائل. هذه فرضية مثيرة للاهتمام ، لأن الاختلاف في الكثافة يمكن أن ينشأ بالفعل ليس فقط بسبب درجة الحرارة ، ولكن أيضًا بسبب الاختلاف في التركيب. وفقًا لبعض التقديرات (الشكل 3 ، المنطقة الوردية) ، يمكن أن يبدأ قلب المريخ في الوجود كسائل متجانس وينقسم الآن إلى قسمين (الشكل 3 ، مناطق حمراء وبرتقالية). ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن المعلومات الفعلية حول جوهر المريخ لا تكفي حاليًا لتأكيد هذا الافتراض: فنحن لا نعرف حتى ما إذا كان صلبًا أم سائلًا ، ناهيك عن أي طبقات داخلية. لذلك ، يعترف المؤلفون بصدق أنهم ينتظرون قياسات جديدة قد يتمكن جهاز InSight من إجرائها.

أرز. 4. حدوث طبقات في قلب المريخ والأرض بسبب الفصل العنصري

جرت محاولة لتطبيق هذه النتائج التجريبية على لب الأرض (الشكل 3 و ب و 4) ، أي طبقة ذات سرعات زلزالية منخفضة تم اكتشافها مؤخرًا على سطح اللب الخارجي ، والتي كانت تسمى E ‘(أنت يمكن أن تقرأ عنها ، على سبيل المثال ، في مقال S. Kaneshima ، 2018. تحليلات المصفوفة لموجات SMKS وطبقات اللب الخارجي للأرض). نظرًا لأن عدم الامتزاج ممكن فقط في طبقة صغيرة قريبة من السطح (الشكل 3 ب ، جزء من المنطقة الزرقاء أسفل المنحنى الأسود الحرج) ، افترض المؤلفون أن الطبقة E تتكون من Fe – H يذوب مع تناقص جزء الهيدروجين مع العمق ، أي مع تدرج تركيز. ومع ذلك ، فإن هذه الفكرة أكثر إثارة للجدل بكثير من الحجج حول الحمل الحراري في قلب المريخ.

أولاً ، كما لوحظ في المقالة نفسها ، يشير عدد من الملاحظات الحديثة إلى زيادة كثافة الطبقة E بدلاً من انخفاضها. ثانيًا ، إذا نظرنا إلى التقديرات الحالية لمحتوى الكبريت في قلب الأرض ، فسنجد أنها تختلف تقريبًا بترتيب من حيث الحجم عن كمية الكبريت في المنتجات النهائية للتجارب (حوالي 12٪ بالوزن في المتوسط ​​بالنسبة للنتائج في منطقة الامتزاج الكامل و 17 أو 5.7٪ بالوزن للذوبان Fe-S ، اعتمادًا على مادة البداية). يختلف محتوى الهيدروجين أيضًا بترتيب من حيث الحجم عن التقديرات الأكثر صلة ، لذلك من المستحيل القول أن نظام النموذج يعكس جوهر الأرض جيدًا. بالإضافة إلى ذلك ، فوق 71 جيجا باسكال ، تم تحديد المنحنى الحرج من خلال ثلاث تجارب فقط ، تم إجراء معظمها للضغط العالي عند 118 جيجا باسكال. بالنظر إلى أن الضغط يبلغ 135 جيجا باسكال عند حدود لب الأرض وغطاءها ، فمن الواضح أن نطاق المعلمات المقابلة لبؤرة الأرض في الشكل 3 ب هو استقراء قائم على تجربة واحدة في الواقع لوحظ فيها اختلاط كامل عند 99 جيجا باسكال (الشكل 3 ، ب). ناهيك عن وجود عدد من التفسيرات الأخرى لميزات الطبقة E ، والتي لا يلزم الفصل فيها (J. Brodhold، J. Badro، 2017. تكوين الطبقة E منخفضة السرعة الزلزالية في الجزء العلوي من نواة الأرض).

بشكل عام ، تعتبر المقالة قيد المناقشة تطورًا طبيعيًا للنقاش حول عناصر الضوء في قلب الأرض. حدث معظمها في العقدين الماضيين ، ولكن في ذلك الوقت تمت مناقشة كوكبنا فقط: لم يكن هناك عمليا أي بيانات عن الآخرين. بسبب الانفجار في عدد الكواكب الخارجية المعروفة في السنوات الأخيرة (انظر اكتشاف مركبين عالي الضغط من الماء مع السيليكا يلقي الضوء على جيولوجيا الأرض الفائقة والعناصر ، 05/12/2020) ونتائج InSight مهمة المريخ ، التي بفضلها نعرف الآن شيئًا عن التركيب الجيولوجي لكوكب آخر ، تبدأ المنشورات في الظهور حيث تتم مناقشة نوى الأجسام الفضائية الأخرى. ولكن بالنظر إلى أنه لا يزال هناك القليل من المعلومات المتاحة حول بنية أو تكوين جوهر المريخ ، يمكن اعتبار هذا العمل إضافة مثيرة للاهتمام للصورة العامة للسيناريوهات المحتملة لتطوره. لكن استنتاجات المؤلفين بشأن جوهر الأرض هي بالتأكيد مثيرة للجدل للغاية.

مصدر: Shunpei Yokoo و Kei Hirose و Shoh Tagawa و Guillaume Morard و Yasuo Ohishi. التقسيم الطبقي في نوى الكواكب عن طريق عدم امتزاج السائل في Fe-SH // اتصالات الطبيعة. 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-28274-z.

كيريل فلاسوف



Publicar un comentario

All comments are review by moderator. Please don't place any spam comment here.

Artículo Anterior Artículo Siguiente