Srce našega bitja na planetu je ostalo skrivnost za znanstvenike, ki iščejo, kako se je oblikovala Zemlja in kaj je nastalo v njenem nastanku. Toda nedavna študija je bila sposobna ponovno ustvariti močne pritiske, ki so se približali tistim, ki jih najdemo v središču Zemlje, kar je raziskovalcem omogočilo pogled na naše planete v prvih dneh in celo na to, kako bi lahko izgledalo jedro zdaj.
Svoje ugotovitve so objavili v nedavni številki revije Science . "Če ugotovimo, kateri elementi so v jedru, bomo lažje razumeli pogoje, pod katerimi se je oblikovala Zemlja, kar nas bo nato seznanilo z zgodnjo zgodovino sončnega sistema, " je dejal glavni avtor študije Anat Shahar, geokemik iz Carnegie Institution for Science. v Washingtonu, DC To bi lahko tudi raziskovalcem predstavilo, kako nastajajo drugi kamniti planeti, tako v našem lastnem osončju kot tudi izven njega.
Zemlja je nastala pred približno 4, 6 milijarde let s pomočjo neštetih trkov med skalnimi telesi, ki segajo v velikost od predmetov velikosti Marsa do asteroidov. Z rastjo zgodnje Zemlje sta se zvišala tudi njen notranji tlak in temperatura.
To je vplivalo na to, kako je železo - ki sestavlja večino Zemljinega jedra - kemično medsebojno vplivalo na lažje elemente, kot so vodik, kisik in ogljik, saj se je težja kovina ločila od plašča in se potopila v notranjost planeta. Ogrinjalo je plast tik pod Zemljino skorjo in gibanje staljene kamnine skozi to območje poganja tektoniko plošč.
Znanstveniki že dolgo priznavajo, da lahko spreminjanje temperatur vpliva na stopnjo, do katere različice ali izotopa elementa, kot je železo, postane del jedra. Ta proces se imenuje frakcioniranje izotopov.
Do zdaj pa pritisk ni veljal za kritično spremenljivko, ki vpliva na ta postopek. "V 60. in 70. letih so bili izvedeni poskusi, ki so iskali te tlačne učinke in niso bili najdeni, " pravi Shahar, ki je del programa Deep Carbon Observatory. "Zdaj vemo, da pritiski, na katerih so preizkušali - približno dva gigapaskala [GPa] - niso bili dovolj visoki."
Dokument druge skupine iz leta 2009 je namigoval, da bi pritisk lahko vplival na elemente, ki so se prevrnili v jedro našega planeta. Tako sta se Shahar in njena ekipa odločili, da ponovno preučimo njene učinke, vendar z uporabo opreme, ki bi lahko dosegla pritiske do 40 GPa - veliko bližje 60 GPa, za katere znanstveniki menijo, da so bili povprečni v času nastanka jedra na Zemlji.
V poskusih, ki so jih izvedli na naprednem fotonskem viru ameriškega ministrstva za energijo, uporabnem uradu Urada znanosti v Nacionalnem laboratoriju Argonne v Illinoisu, je skupina med točke dveh diamantov postavila majhne vzorce železa, pomešane z vodikom, ogljikom ali kisikom. Strani te "diamantne nakovniške celice" so bili nato stisnjeni skupaj, da se ustvarijo ogromni pritiski.
Nato so vzorce transformiranega železa bombardirali z močnim rentgenom. "Uporabljamo rentgenske žarke za preverjanje vibracijskih lastnosti železnih faz, " je dejal Shahar. Različne frekvence vibracij so ji govorile, katere različice železa je imela v svojih vzorcih.
Skupina je ugotovila, da ekstremni pritisk vpliva na frakcioniranje izotopov. Zlasti je ekipa odkrila, da bi morale reakcije med železom in vodikom ali ogljikom - dvema elementoma, ki se štejeta, da sta prisotna v jedru - puščati podpis v plasteh. Toda tega podpisa ni bilo mogoče najti.
"Zato ne mislimo, da sta vodik in ogljik glavna svetlobna elementa v jedru, " je dejal Shahar.
V nasprotju s tem kombinacija železa in kisika po raziskavah skupine ne bi pustila sledi na plašču. Tako je še vedno mogoče, da bi lahko bil kisik eden izmed lažjih elementov v Zemljinem jedru.
Ugotovitve podpirajo hipotezo, da kisik in silicij sestavljata večino svetlobnih elementov, raztopljenih v zemeljskem jedru, pravi Joseph O'Rourke, geofizik iz Caltecha v Pasadeni v Kaliforniji, ki v raziskavo ni bil vključen.
"Kisik in silicij imata v plašču ogromno in vemo, da sta v visoki temperaturi in tlaku topni v železu, " pravi O'Rourke. "Ker sta kisik in silicij v osnovi zagotovljena za vstop v jedro, za druge kandidate, kot sta vodik in ogljik, ni veliko prostora."
Shahar je povedala, da njena skupina načrtuje ponoviti poskus s silicijem in žveplom, drugimi možnimi sestavinami jedra. Zdaj, ko so pokazali, da lahko pritisk vpliva na frakcioniranje, skupina tudi načrtuje, da bodo skupaj preučili učinke tlaka in temperature, za katere predvidevajo, da bodo prinesli drugačne rezultate kot kateri koli sam. "Naši poskusi so bili opravljeni z vzorci trdnega železa pri sobni temperaturi. Toda med nastajanjem jedra se je vse topilo, "je dejal Shahar.
Ugotovitve takšnih poskusov bi lahko imele pomen za eksoplanete ali planete zunaj našega lastnega osončja, pravijo znanstveniki. "Ker na eksoplanetih vidite samo njihove površine ali atmosfere, " je dejal Shahar. Kako pa njihova notranjost vpliva na dogajanje na površini, je vprašala. "Odgovor na ta vprašanja bo vplival na to, ali na planetu živi življenje ali ne."
Več o tej raziskavi in še več na Observatoriju Deep Carbon.
Editor's Note, 5. maj 2016: Ta zgodba je bila prvotno postavljena na mesto poskusov v Washingtonu, DC. Izvedeni so bili v laboratoriju v Illinoisu.
