Interdisciplinárny tím materiálových fyzikov a geofyzikov kombinuje teoretické predpovede, simulácie a seizmickú tomografiu, aby našiel prenos rotácie v zemskom plášti.

Vnútrozemie Zeme je záhadou, obzvlášť v najväčších hĺbkach (> 660 km). Vedci majú iba seizmické prierezy tejto oblasti a na ich interpretáciu musia vypočítať seizmické (akustické) rýchlosti v mineráloch pri vysokých tlakoch a teplotách. Pomocou týchto výpočtov môžu vytvárať 3D mapy rýchlostí a učiť sa minerálom a teplote pozorovaných oblastí. Keď v mineráli dôjde k fázovému prechodu, ako je napríklad zmena štruktúry kryštálov pod stresom, vedci pozorujú zmenu rýchlosti, zvyčajne prudké prerušenie seizmickej rýchlosti.

V roku 2003 vedci v laboratóriu pozorovali nový typ fázovej zmeny minerálov – spinovú zmenu železa vo ferroperikláze, druhej najhojnejšej zložke spodného plášťa Zeme. Zmena spinu alebo spinového spojenia môže nastať v mineráloch, ako je ferroperikláza, pod vonkajším katalyzátorom, ako je tlak alebo teplota. V priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov experimentálne a teoretické skupiny potvrdili túto fázovú zmenu vo ferroperikláze aj v bridgmanite, najhojnejšej fáze dolného plášťa. Nikto si však nebol celkom istý, prečo alebo kde sa to stalo.

Studené a dolné oceánske platne sú v oblastiach (a) a (b) považované za oblasti s vysokou rýchlosťou a horúce horné plášťové horniny ako oblasti s nízkou rýchlosťou v (c). Dosky a stĺpce produkujú koherentný tomografický signál v modeloch vlny S, ale signál čiastočne zmizne v modeloch vlny P. Kredit: Columbia Engineering

V roku 2006 profesorka inžinierstva na Kolumbijskej univerzite Renata Wenitzkowicz publikovala svoj prvý príspevok o ferroperikláze, ktorý poskytuje teóriu spin-intersection v tomto mineráli. Jej teória naznačovala, že sa to stane cez tisíc kilometrov v dolnom plášti. Odvtedy Wentzkowitz, profesor aplikovanej fyziky a Katedra aplikovanej matematiky, vied o Zemi a životnom prostredí, a Zemské observatórium Lamont-Doherty na Kolumbijská univerzita, publikovala 13 výskumných prác so svojou skupinou na túto tému, skúmala rýchlosti v každom možnom prípade spinového spojenia vo ferroperikláze a bridgmanite a predpovedala vlastnosti týchto minerálov počas tohto spojenia. V roku 2014 Wenzcovitch, ktorého výskum sa zameriava na kvantovo mechanické štúdie materiálov v extrémnych podmienkach, najmä planetárnych materiálov, predpovedal, ako možno tento jav meniaci sa spinál detegovať v seizmických tomogramoch, ale seizmológovia to stále nevideli.

Práca s multidisciplinárnym tímom spoločnosti Columbia Engineering, Univerzita v OsleLtd., Tokijský technologický inštitút a Intel Corporation, najnovší výskumný dokument Wenzcovitcha, ktorý ukazuje, ako teraz identifikovali signál ferrocyklického spojenia, kvantový prechod hlboko v dolnom plášti Zeme. To sa dosiahlo pri pohľade na konkrétne oblasti v zemskom plášti, kde sa očakáva hojný výskyt ferroperiklázy. Štúdia bola publikovaná 8. októbra 2021, v Prírodné prepojenia.

„Tento vzrušujúci objav, ktorý potvrdzuje moje predchádzajúce predpovede, dokazuje dôležitosť spolupráce fyzikálnych a geofyzikálnych materiálov, aby sa dozvedeli viac o tom, čo sa deje hlboko na Zemi,“ povedal Wentzkowitz.

Rotačný prechod sa bežne používa v materiáloch, ako sú materiály používané pri magnetickom zápise. Ak natiahnete alebo stlačíte niekoľko nanometrových vrstiev magnetického materiálu, môžete zmeniť magnetické vlastnosti vrstvy a zlepšiť vlastnosti záznamu na médium. Wentzcovitchova nová štúdia ukazuje, že k rovnakému javu dochádza tisíce kilometrov vo vnútrozemí Zeme, keď sa pohybuje od nanometra k makro stupnici.

Geodynamické simulácie navyše ukázali, že spinové spojenie aktivuje konvekciu v zemskom plášti a pohyb tektonických dosiek. Myslíme si, že tento kvantový jav tiež zvyšuje frekvenciu tektonických udalostí, ako sú zemetrasenia a sopečné erupcie, “poznamenáva Wentzkowitz.

Stále existuje mnoho oblastí plášťa, ktorým vedci nerozumejú, a zmena stavu rotácie je rozhodujúca pre pochopenie rýchlostí, fázovej stability atď. Wentzkowitz pokračuje v interpretácii máp seizmickej tomografie pomocou predpovedaných seizmických rýchlostí Od začiatku Výpočty založené na funkčnej teórii hustoty. Tiež vyvíja a aplikuje presnejšie techniky simulácie materiálu na predpovedanie seizmických rýchlostí a transportných vlastností, najmä v oblastiach bohatých na železo, roztavenie alebo pri teplotách blízkych taveniu.

„Čo je obzvlášť vzrušujúce, je to, že naše metódy simulácie materiálov sú použiteľné na silne prepojené materiály – feroelektriká a materiály s vysokou teplotou všeobecne,“ hovorí Wentzkowicz. „Budeme schopní zlepšiť naše analýzy 3D tomogramov Zeme a dozvedieť sa viac o tom, ako drvivé tlaky v zemskom vnútri nepriamo ovplyvňujú náš život nad Zemou.“

Odkaz: „Seizmické vyjadrenie spinového spojenia ferroperiklasy v dolnom plášti Zeme“ od Grace E. Sheppardovej, Kristin Hauserovej, Johna W. Hernlunda, Juana J. Valencia Cardonu, Redara G. Tronsa a Renaty M. Wenitzkowiczovej, 8. októbra 2021 , Prírodné prepojenia.
DOI: 10,1038 / s41467-021-26115-z