Výskumníci z ETH Zurich v laboratóriu ukázali, ako dobre vedie teplo bežný kov na hranici medzi zemským jadrom a plášťom. To ich vedie k podozreniu, že teplo zo Zeme sa môže rozptýliť skôr, ako sa pôvodne predpokladalo.

Evolúcia našej planéty je príbehom chladu: pred 4,5 miliardami rokov vládli na povrchu mladej Zeme extrémne teploty a bola pokrytá hlbokým oceánom magmy. V priebehu miliónov rokov sa povrch planéty ochladzoval a vytvoril krehkú kôru. Obrovská tepelná energia vychádzajúca z vnútra Zeme však poháňa dynamické procesy, ako je konvekcia plášťa, dosková tektonika a vulkanizmus.

Avšak otázky týkajúce sa toho, ako rýchlo sa Zem ochladí a ako dlho môže trvať, kým toto nepretržité ochladzovanie zastaví vyššie uvedené tepelné procesy, zostávajú nezodpovedané.

Jedna možná odpoveď môže spočívať v tepelnej vodivosti minerálov, ktoré tvoria hranicu medzi zemským jadrom a zemským plášťom.

Táto hraničná vrstva je dôležitá, pretože práve tu sú lepkavé horniny zemského plášťa v priamom kontakte s horúcim tavením železa a niklu vo vonkajšom jadre planéty. Teplotný gradient medzi týmito dvoma vrstvami je dosť strmý, takže tu pravdepodobne bude prúdiť veľa tepla. Hraničnú vrstvu tvorí najmä minerál bridgemanit. Výskumníci však majú problém odhadnúť, koľko tepla tento minerál prejde zo zemského jadra do plášťa, pretože experimentálne overenie je také ťažké.

Teraz profesor ETH Motohiko Murakami a kolegovia z Carnegie Institution for Science vyvinuli sofistikovaný merací systém, ktorý im umožňuje merať tepelnú vodivosť bridgemanitu v laboratóriu za podmienok tlaku a teploty prevládajúcich vo vnútri Zeme. Na merania použili novovyvinutý systém merania optickej absorbancie v pulznej laserovej vyhrievanej diamantovej jednotke.

Merací prístroj na stanovenie tepelnej vodivosti bridgemanitu pri vysokom tlaku a maximálnej teplote. Poďakovanie: Od Murakamiho M, et al, 2021

„Tento merací systém nám umožňuje ukázať, že tepelná vodivosť bridgemanitu je asi 1,5-krát vyššia, ako sa predpokladalo,“ hovorí Murakami. To naznačuje, že tepelný tok z jadra do plášťa je tiež vyšší, ako sa doteraz predpokladalo. Väčší tepelný tok zase zvyšuje konvekciu v plášti a urýchľuje ochladzovanie Zeme. To môže spôsobiť, že pohyb doskovej tektoniky, ktorý je udržiavaný konvekčnými pohybmi v plášti, sa spomalí rýchlejšie, ako výskumníci očakávali na základe predchádzajúcich hodnôt tepelnej vodivosti.

Murakami a kolegovia tiež ukazujú, že rýchle ochladenie plášťa zmení stabilné minerálne fázy na hranici medzi jadrom a plášťom. Po ochladení sa bridgemanit zmení na minerál post-perovskit. Ale akonáhle sa post-perovskit objaví na hranici medzi jadrom a plášťom a začne dominovať, ochladzovanie plášťa sa môže skutočne urýchliť, odhadujú výskumníci, pretože tento minerál vedie teplo efektívnejšie ako bridgemanit.

„Naše výsledky nám môžu poskytnúť nový pohľad na vývoj dynamiky Zeme. Naznačujú, že Zem, podobne ako ostatné kamenné planéty Merkúr a MarsOchladzuje sa a stáva sa inertným oveľa rýchlejšie, ako sa očakávalo,“ vysvetľuje Murakami.

Nevie však povedať, ako dlho by napríklad trvalo zastavenie konvekčných prúdov v plášti. „Stále nevieme dosť o týchto typoch udalostí, aby sme určili ich načasovanie.“ Aby to bolo možné urobiť, najprv je potrebné lepšie pochopiť, ako funguje konvekcia v priestore a čase. Vedci navyše potrebujú objasniť, ako rozpad rádioaktívnych prvkov vo vnútri Zeme – jedného z hlavných zdrojov tepla – ovplyvňuje dynamiku plášťa.

Odkaz: “Radiačná tepelná vodivosť monokryštálového bridgemanitu na rozhraní jadro-plášť s dôsledkami pre tepelný vývoj Zeme” od Motohiko Murakami, Alexander F. Goncharov, Nobuyoshi Miyajima, Daisuke Yamazaki a Nicholas Holtgrove, 8. decembra 2021, Listy o Zemi a planetárnej vede.
DOI: 10.1016 / j.epsl.2021.117329