Η ψύξη του εσωτερικού της Γης «πολύ ταχύτερα από το αναμενόμενο»

Ερευνητές στο ETH της Ζυρίχης έχουν δείξει στο εργαστήριο πόσο καλά ένα κοινό μέταλλο στο όριο μεταξύ του πυρήνα της Γης και του μανδύα μεταφέρει τη θερμότητα. Αυτό τους οδηγεί να υποψιάζονται ότι η θερμότητα της Γης μπορεί να διαλυθεί νωρίτερα από ό,τι πιστεύαμε.

Η εξέλιξη του πλανήτη μας είναι μια ιστορία δροσιάς: πριν από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ακραίες θερμοκρασίες επικρατούσαν στην επιφάνεια της νεαρής Γης και καλύφθηκε με έναν βαθύ ωκεανό από μάγμα. Για εκατομμύρια χρόνια, η επιφάνεια του πλανήτη ψύχθηκε για να σχηματίσει έναν εύθραυστο φλοιό. Ωστόσο, η τεράστια θερμική ενέργεια που εκπέμπεται από το εσωτερικό της Γης οδηγεί δυναμικές διεργασίες, όπως η μεταφορά μανδύα, η τεκτονική πλακών και ο ηφαιστειισμός.

Ωστόσο, τα ερωτήματα σχετικά με το πόσο γρήγορα θα κρυώσει η Γη και πόσο καιρό μπορεί να χρειαστεί αυτή η συνεχής ψύξη για να σταματήσει τις παραπάνω θερμικές διεργασίες παραμένουν αναπάντητα.

Μια πιθανή απάντηση μπορεί να βρίσκεται στη θερμική αγωγιμότητα των ορυκτών που αποτελούν το όριο μεταξύ του πυρήνα της Γης και του μανδύα.

Αυτό το οριακό στρώμα είναι σχετικό επειδή είναι εδώ όπου τα κολλώδη πετρώματα του μανδύα της Γης βρίσκονται σε άμεση επαφή με το θερμό λιώσιμο του σιδήρου και του νικελίου στον εξωτερικό πυρήνα του πλανήτη. Η κλίση θερμοκρασίας μεταξύ των δύο στρωμάτων είναι αρκετά απότομη, επομένως είναι πιθανό να ρέει πολλή θερμότητα εδώ. Το οριακό στρώμα αποτελείται κυρίως από ορυκτό μπριτζμανίτη. Ωστόσο, οι ερευνητές δυσκολεύονται να υπολογίσουν πόση θερμότητα περνά αυτό το ορυκτό από τον πυρήνα της Γης στον μανδύα, επειδή η πειραματική επαλήθευση είναι τόσο δύσκολη.

Τώρα, ο καθηγητής ETH Motohiko Murakami και οι συνεργάτες του από το Carnegie Institution for Science ανέπτυξαν ένα εξελιγμένο σύστημα μέτρησης που τους επιτρέπει να μετρούν τη θερμική αγωγιμότητα του μπριτζμανίτη στο εργαστήριο, υπό συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν μέσα στη Γη. Για τις μετρήσεις, χρησιμοποίησαν ένα νέο σύστημα μέτρησης οπτικής απορρόφησης σε μια μονάδα διαμαντιού που θερμαίνεται με παλμικό λέιζερ.

Μια συσκευή μέτρησης για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας του μπριτζμανίτη υπό υψηλή πίεση και μέγιστη θερμοκρασία. Πίστωση: Από Murakami M, et al, 2021

«Αυτό το σύστημα μέτρησης μας επιτρέπει να δείξουμε ότι η θερμική αγωγιμότητα του μπριτζμανίτη είναι περίπου 1,5 φορές υψηλότερη από την υποθετική», λέει ο Μουρακάμι. Αυτό δείχνει ότι η ροή θερμότητας από τον πυρήνα στον μανδύα είναι επίσης υψηλότερη από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Η μεγαλύτερη ροή θερμότητας, με τη σειρά της, αυξάνει τη μεταφορά στο μανδύα και επιταχύνει την ψύξη της Γης. Αυτό μπορεί να προκαλέσει την επιβράδυνση της κίνησης των τεκτονικών πλακών, η οποία συντηρείται από μετααγωγικές κινήσεις στον μανδύα, από ό,τι περίμεναν οι ερευνητές με βάση προηγούμενες τιμές θερμικής αγωγιμότητας.

Ο Μουρακάμι και οι συνεργάτες του δείχνουν επίσης ότι η ταχεία ψύξη του μανδύα θα αλλάξει τις σταθερές ορυκτές φάσεις στο όριο πυρήνα-μανδύα. Όταν κρυώσει, ο μπριτζμανίτης μετατρέπεται σε ορυκτό μεταπεροβσκίτη. Αλλά μόλις ο μεταπεροβσκίτης εμφανιστεί στο όριο πυρήνα-μανδύα και αρχίσει να κυριαρχεί, η ψύξη του μανδύα μπορεί πραγματικά να επιταχυνθεί, εκτιμούν οι ερευνητές, επειδή αυτό το ορυκτό μεταφέρει τη θερμότητα πιο αποτελεσματικά από τον μπριτζμανίτη.

“Τα αποτελέσματά μας μπορούν να μας δώσουν μια νέα προοπτική για την εξέλιξη της δυναμικής της Γης. Υποδηλώνουν ότι η Γη, όπως και οι άλλοι βραχώδεις πλανήτες Ερμής και ΆρηςΨύχεται και γίνεται αδρανές πολύ πιο γρήγορα από το αναμενόμενο», εξηγεί ο Μουρακάμι.

Ωστόσο, δεν μπορεί να πει πόσο χρόνο θα χρειαζόταν, για παράδειγμα, για να σταματήσουν τα ρεύματα μεταφοράς στον μανδύα. «Ακόμα δεν γνωρίζουμε αρκετά για αυτά τα είδη γεγονότων για να καθορίσουμε τον χρόνο τους». Για να γίνει αυτό απαιτείται πρώτα μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της μεταφοράς στον μανδύα του χώρου και του χρόνου. Επιπλέον, οι επιστήμονες πρέπει να διευκρινίσουν πώς η διάσπαση των ραδιενεργών στοιχείων στο εσωτερικό της Γης -μια από τις κύριες πηγές θερμότητας- επηρεάζει τη δυναμική του μανδύα.

Αναφορά: «Ακτινοβολική θερμική αγωγιμότητα του μονοκρυσταλλικού μπριτζμανίτη στο όριο πυρήνα-μανδύα με συνέπειες για τη θερμική εξέλιξη της γης» από τους Motohiko Murakami, Alexander F. Goncharov, Nobuyoshi Miyajima, Daisuke Yamazaki και Nicholas Holtgrove, 8, 20 Δεκεμβρίου Επιστολές Γης και Πλανητικής Επιστήμης.
DOI: 10.1016 / j.epsl.2021.117329