Gli Stati Uniti stanno per aprire una nuova finestra sul misterioso interno della Terra

Tempe, Arizona. In un laboratorio avvolto da pesanti tende nere su cui sono appesi segnali di pericolo, gli scienziati evocano condizioni di caldo torrido e alta pressione all’interno dei pianeti.

Per iniziare, comprimono piccole porzioni di blocchi planetari tra le punte di due diamanti. Quindi sparano raggi laser attraverso la gemma per riscaldare le cose. I campioni possono raggiungere dimensioni speckle fatica Qualche milione di volte superiore a quello che gli umani sentono sulla Terra, e può diventare caldo come la superficie del sole.

Benvenuti nel mondo delicato, specializzato e talvolta esplosivo della ricerca iperbarica.

La frantumazione e l’esplosione di campioni in laboratorio aiuta gli scienziati a guardarsi dentro, ricreando le condizioni per parti profonde inaccessibili del pianeta. Questo lavoro è la chiave per indagare su alcune delle domande più profonde sulla nostra esistenza: cosa rende la Terra abitabile? Come è nata la vita? E come potrebbero i processi geologici che ancora non comprendiamo appieno sostenere la vita oggi?

Negli ultimi anni, anche l’attenzione del campo si è spostata verso l’esterno, verso Migliaia di pianeti Noto per orbitare attorno ad altre stelle. Gli astronomi ci hanno mostrato che la nostra galassia ospita uno zoo mondi acquaticiE la super-Terra e il caldo Giove e Nettunoe alcuni offrono accenni allettanti che potrebbero essere in grado di sostenere la vita. Dal momento che non possiamo visitare quei pianeti, figuriamoci indagare i loro interni profondi, la cosa migliore da fare è provare a crearli in laboratorio.

“Fino ad ora nella comunità delle scienze della Terra, il nostro obiettivo principale era quello di spiegare la nostra esistenza”, ha affermato Dan Shim, mineralogista dell’Arizona State University, il cui laboratorio sta lavorando per creare viscere planetarie in miniatura. Ma ora, con [discovery of] Esopianeti, ci vengono poste nuove domande”.

Per aiutare ad alimentare queste esplorazioni, gli Stati Uniti stanno per ottenere la loro prima vera “grande pressa”, un frantoio alto due piani che gli scienziati sognavano dieci anni fa, alimentato da una pressa idraulica in grado di esercitare 6.000 tonnellate di forza. Lo strumento, soprannominato Ichiban, consentirà agli scienziati di spremere in grande stile campioni più grandi, che migliorano la nostra comprensione di ciò che accade ai materiali in condizioni estreme.

Fa parte di un file 13,7 milioni di dollari, struttura finanziata a livello nazionaledi nome energiache presenterà una suite di strumenti con nuove funzionalità di compressione, compressione e rotazione.

“Siamo in un momento entusiasmante. La nostra ignoranza è ancora così profonda che ci poniamo domande davvero fondamentali”, ha detto Joseph O’Rourke, uno scienziato planetario dell’Arizona State University.

O’Rourke non esegue esperimenti ad alta pressione, ma prende i risultati e li incorpora in modelli per capire meglio come si formano ed evolvono i pianeti. A volte, questi modelli offrono possibilità straordinarie. Ha indicato un recente simposio in cui un collega ha presentato un modello dell’interno di un pianeta alieno Miglia e miglia di diamanti.

“Puoi realizzare tutti questi modelli e queste cose sono tecnicamente concepibili, secondo la fisica e la chimica”, ha detto O’Rourke. “Abbiamo un’enorme quantità di lavoro da svolgere raccogliendo dati per scoprire se le nostre storie sono fantascienza o fatti scientifici”.

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La vita interiore dei pianeti è mostrata in modo chiaro e semplice nelle illustrazioni dei libri di testo. Gli strati della Terra – nucleo interno solido, nucleo esterno fuso, mantello, crosta – sembrano concentrici, codificati a colori e simmetrici, come caramelle gobstopper.

Ma in realtà le cose si fanno molto più complicate.

Misurando il modo in cui le onde sismiche dei terremoti si muovono attraverso il pianeta, i geologi hanno mappato la temperatura, la pressione e le proprietà delle rocce o dei fluidi all’interno, permettendo loro di decifrare le caratteristiche strutturali nelle viscere del pianeta, come un medico che legge un’ecografia. Sempre più spesso, queste mappe mostrano che gli strati sovrapposti del pianeta sono irregolari, a volte montuosi e altamente dinamici.

“Alla base del mantello, dove il mantello e il nucleo si uniscono, c’è un accenno a qualcosa di veramente interessante che sta accadendo lì”, ha detto David Lambert, responsabile del programma presso la National Science Foundation.

Comprendere l’anatomia dell’interno della Terra è un passo fondamentale per capire perché la superficie esterna è così abitabile. E molto risale alla chimica di base.

Il solido nucleo interno della Terra cresce man mano che il materiale fuso attorno ad esso si solidifica, rilasciando elementi più leggeri nel processo che alimenta la convezione turbolenta nel nucleo esterno. Questo, a sua volta, genera un campo magnetico Scudi di vita dannosi raggi cosmici e impedisce al sole di deviare la nostra atmosfera. Il calore viaggia anche dal nucleo esterno liquido al mantello, contribuendo a guidare l’attività tettonica che ci dà terremoti e vulcani, che rilasciano gas e polvere che possono alterare il clima.

I geologi affermano che il nucleo della Terra sembra essere circondato da uno strato misterioso

“Il motore che mantiene il nostro campo magnetico può dipendere dal comportamento chimico dell’ossigeno o dello zolfo coinvolti nel nucleo di ferro esterno della Terra”, ha affermato Quentin Williams, uno scienziato planetario dell’Università della California, a Santa Cruz.

Una recente spedizione di perforazione ha entusiasmato gli scienziati quando ha estratto rocce di mantello insolitamente vicine dal fondo dell’oceano. Ma la distanza dalla superficie al nucleo è lunga quanto da Washington, DC, a Phoenix – Troppo in profondità per scavare.

Quindi, per ottenere informazioni su ciò che sta accadendo in profondità, gli scienziati “cucinano e vedono”, loro Spremere e riscaldare diverse combinazioni di sostanze chimiche in laboratorio, quindi osservare cosa viene prodotto.

Gli scienziati sanno quali elementi chimici dominano gli strati della Terra da molteplici flussi di prove, comprese le misurazioni della densità del pianeta e la composizione dei meteoriti, che sono detriti planetari. Mattoni da costruzione, parti delle viscere della Terra che risalgono in superficie attraverso le eruzioni vulcaniche.

Per decenni, gli scienziati hanno sottoposto questi componenti a calore tremendo e Premendo ruotando le viti di un semplice dispositivo palmare chiamato a Cella incudine diamantata, una delle specialità di Shim. È stato inventato alla fine degli anni ’50, quando l’amministrazione dei servizi generali ha messo a disposizione degli scienziati i diamanti sequestrati ai contrabbandieri.

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Oggi, la ricerca sulle cellule dell’incudine di diamante è un luogo così consolidato che è possibile per gli scienziati acquistare diamanti da un fornitore di ricerca invece di recarsi presso i gioiellieri di Manhattan, come fece Shim all’inizio della sua carriera.

I ricercatori hanno bisogno di una fornitura costante perché è sotto una pressione tale che persino i diamanti possono rompersi, in quella che gli scienziati chiamano un’esplosione. Sembra un cucchiaio che sale su un bicchiere di champagne, ma il vero impatto è l’impatto emotivo degli scienziati, che devono ricominciare da capo i loro esperimenti. Shim ha due scatole di diamanti rotti nel retro del suo laboratorio, alcuni dei quali sono soprattutto souvenir Esperienze importanti.

La ricerca sulle cellule dell’incudine di diamante ha finora prodotto una serie di scoperte entusiasmanti, contribuendo a rivelare gli strati colorati delle profondità della Terra. Il peridoto verde domina il mantello superiore, ma sotto pressione e temperature più elevate si trasforma in un minerale bluastro chiamato wadsleyite, e quindi in una ringwoodite blu più profonda. forma di Silicato di perovskiteE Recentemente chiamato Bridgemanetdomina il mantello inferiore.

Due decenni fa, gli esperimenti con cellule di incudine di diamante hanno rivelato A nuova fase metallica Al confine sfocato tra nucleo e mantello. Questo strato affascina i geologi perché è determinante nel modo in cui il calore si trasferisce tra il nucleo e il mantello e aiuta a spostare le placche tettoniche e i vulcani.

Gli esperimenti potrebbero anche offrire intuizioni nelle viscere dei pianeti extraterrestri. Un recente pomeriggio nel laboratorio di Shim, lo scienziato post-dottorato Sibu Chen stava esplorando la questione del perché Marte sia una terra così arida e arida.

Caratteristiche e minerali trovati da una flotta di rover indicano che l’acqua era abbondante sul Pianeta Rosso miliardi di anni fa. Una possibile spiegazione del motivo per cui oggi Marte è secco è la profondità delle acque dentro il pianeta Distruggi il campo magnetico protettivo del pianeta.

Chen ha compresso chiazze di ringwoodite, un minerale nel mantello di Marte che può trattenere l’acqua, insieme al ferro, che domina il suo nucleo e può formarsi con l’idrogeno sotto pressione. L’esperimento ha essenzialmente organizzato una gara per vedere dove l’acqua – o il suo componente principale, l’idrogeno – finisce sotto pressione e calore. Precise oscillazioni delle chiavi a brugola hanno portato il campione a premere Limite del mantello di Marte, circa 200.000 volte la pressione atmosferica della Terra.

“Siamo pronti per andare in giro”, ha detto Chen, toccando il laser e guardando sullo schermo mentre un punto luminoso appariva a fuoco mentre il raggio riscaldava il campione. Quando la temperatura salì, il punto iniziò a lampeggiare.

Alcuni giorni dopo, Chen ha collocato la cella dell’incudine di diamante in una speciale custodia rivestita e si è recata con essa a un proiettore di raggi X in California per esaminare la struttura del minerale. Sta ancora analizzando i dati, ma se l’esperimento mostra che l’idrogeno è attratto dal nucleo di ferro, potrebbe aiutare a rivelare perché il campo magnetico di Marte si è estinto circa 4 miliardi di anni fa. Se un elemento leggero come l’idrogeno migra verso Nucleo di ferro liquido, può galleggiare per formare a strato stabile soprainterrompe il momento convettivo che alimenta il campo magnetico.

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Per quanto evidenti fossero questi esperimenti, le celle a incudine di diamante avevano i loro limiti. Innanzitutto, i campioni dovevano essere microscopici, più sottili di un capello umano. Per comprimere campioni più grandi, gli scienziati si rivolgono a un altro dispositivo, chiamato pressa multi-incudine.

Kurt Linenweber, uno dei leader della nuova struttura FORCE dell’ASU, ricorda un viaggio che fece in Giappone nel 1989, quando utilizzò per la prima volta una pressa multi-incudine che poteva creare in laboratorio alcuni dei cambiamenti minerali che si verificano all’interno della Terra .

“Ero così eccitato, non riuscivo a dormire la notte”, ricorda. “Stando lì sdraiato, non riuscivo a smettere di pensare alle cose che potevi fare.”

Oggi, le presse multi-incudine sono in uso nei laboratori di tutto il paese, ma gli scienziati saranno in grado di utilizzare l’Ichiban di grandi dimensioni per testare campioni delle dimensioni di una gomma da matita ed effettuare misurazioni difficili su scale più piccole.

ha affermato Robert C. Lieberman, professore di ricerca presso il Dipartimento di Geoscienze della Stony Brook University. Ha lavorato sul campo per più di quattro decenni ed è felice di vedere che gli Stati Uniti stanno finalmente ottenendo la grande stampa, raggiungendo Giappone, Germania e Cina.

Ma per raggiungere in modo affidabile le massime pressioni nel nucleo terrestre – o Anche all’interno di grandi pianeti, gli scienziati hanno bisogno di nuovi strumenti.

“Il comportamento del nucleo – qui è dove le tecniche sperimentali sono molto primitive”, ha detto Alexandra Navrotsky, direttrice del Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe presso l’Arizona State University.

Gli scienziati cercano di generare le pressioni massime sparando proiettili di gas o utilizzando potenti impulsi laser. I ricercatori possono ottenere milionesimi o miliardesimi di secondo dai dati, ma possono portare i loro campioni a pressioni simili a quelle del nucleo terrestre, o anche superiori. Ciò è particolarmente interessante per gli studi sugli esopianeti, dal momento che alcuni dei mondi alieni scoperti finora sono più estremi di qualsiasi altra cosa nel nostro sistema solare.

I pianeti superterrestri sono una classe di esopianeti che hanno eccitato a Sopracciglio abitabile. La domanda principale è se quei pianeti abbiano al loro interno nuclei liquidi ribollenti che generano un campo magnetico protettivo, rendendo le loro superfici abitabili.

Sally John Tracy della Carnegie Institution for Science di Washington conduce questi esperimenti in frazioni di secondo. Una delle cose che trova più eccitante dell’intero campo, ha detto, è che gli esperimenti abbracciano diverse scale di tempo e dimensioni, osservando miniature per riempire immagini di dimensioni planetarie.

“Facciamo esperimenti ultraveloci per pensare alla storia del sistema solare e lavoriamo con campioni molto piccoli… per comprendere i processi su larga scala che influenzano l’evoluzione dei corpi planetari”, ha detto Tracy.

“Questo mi stupisce.”

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