Sciencemag.cz
Doporučujeme
Hranice zemského jádra a pláště představuje rozhraní mezi (cca) železným kovovým jádrem Země a silnou kamenitou vrstvou pláště těsně nad jádrem. Je to přirozeně svět extrémních tlaků a teplot.
Nejnovější výzkumy provedené pomocí měření rychlosti seismických vln ukazují, že nejspodnější vrstva zemského pláště je ve skutečnosti složitá a heterogenní – mj. se v ní nacházejí oblasti podobné horám, kde se seismické vlny záhadně zpomalují. Tyto „skvrny“, tzv. zóny s velmi nízkou rychlostí (ultralow velocity zones, ULVZ), poprvé objevené Donem Helmbergerem z Caltechu, jsou silné desítky kilometrů a nacházejí se v hloubce asi 3 000 km.
V této souvislosti vzniká několik otázek: Proč tyto zóny existují a z čeho se skládají? Co se z nich můžeme dozvědět o tom, jak se Země vyvíjela a jakou roli hraje tato oblast v dynamice Země? Jsou příslušné „kapky“ v extrémních podmínkách těsně nad jádrem pevné, nebo roztavené?
V roce 2010 Jennifer Jackson z Caltechu a její tým navrhli, že bloby obsahují vyšší obsah oxidu železnatého než plášť, který je obklopuje. Pevný oxid železnatý by zpomaloval seismické vlny, což by mohlo vysvětlit nízké rychlosti naměřené při průchodu těmito „skvrnami“. Mohl by však FeO zůstat v pevném skupenství i při tak extrémních teplotách a tlacích?
Nová studie nyní podrobně změřila chování oxidu železnatého za očekávaných teplot a tlaků. Výsledný fázový diagram ukazuje, že na rozdíl od předchozích teorií zůstává FeO pevný i při velmi vysokých teplotách. To představuje zatím nejpádnější důkaz, že oblasti bohaté na pevné železo jsou realistickým vysvětlením vzniku zón s velmi nízkou rychlostí seismických vln.
Když se pevná látka začne tavit, atomy ztratí svou pevně uspořádanou strukturu a začnou se pohybovat volně. Cílem nové studie, kterou vedl bývalý postgraduální student Caltechu Vasilije Dobrosavljevic, bylo experimentálně určit teploty a tlaky, při nichž k tomuto přechodu dochází.
Dosažení extrémních teplot a tlaků v experimentech je možné již desítky let, ale tyto experimenty vyžadují malé vzorky, menší než je průměrná šířka lidského vlasu. Při použití tak malých vzorků je náročné zjistit přesnou teplotu tání. Nová studie využila velmi přesnou techniku, tzv. Mössbauerovu spektroskopii, k pozorování dynamické konfigurace atomů železa. Metoda dokáže zjistit, zda v průběhu velmi krátkého úseku zhruba asi 100 nanosekund pohyb atomů odpovídal pevné látce nebo kapalině. Vedle toho vědci použili i rentgenovou difrakcí, která umožňuje sledovat polohu všech atomů ve vzorku.
Po desítkách experimentů při různých teplotách a tlacích tým zjistil, že při tlaku nad zemským jádrem se oxid železnatý taví při vyšších teplotách, než se dosud odhadovalo: přes 4 000 K.
Vědci již dříve věděli, že při běžném tlaku má každý vzorek FeO ve své atomové struktuře drobné a víceméně pravidelně rozmístěné defekty. Na každých 100 atomů kyslíku připadá jen asi 95 atomů železa. Diskutuje se o tom, jak tyto defekty na atomární úrovni mohou ovlivnit materiál v širším měřítku – např. elektrickou či tepelnou vodivost nebo deformaci pod tlakem. Tyto parametry jsou klíčové pro pochopení nitra planet, kde tepelný tok a deformace materiálu určují dynamiku planet. Chování defektů při vysokých tlacích a teplotách však bylo až dosud neznámé.
Autoři nové studie zjistili, že při teplotách o několik set Kelvinů nižších, než je bod, při kterém se FeO taví, se drobné atomové defekty začnou v pevném materiálu posouvat a stávají se neuspořádanými. To by mohlo vysvětlit, proč předchozí experimenty naznačovaly, že oxid železnatý se taví při nižších teplotách: Tyto experimenty ve skutečnosti pozorovaly spíše posuny v defektech než tání celé krystalové struktury.
Vasilije V. Dobrosavljevic et al, Melting and defect transitions in FeO up to pressures of Earth’s core-mantle boundary, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43154-w
Zdroj: California Institute of Technology / Phys.org
