Forscher untersuchen Materialien unter extremen Bedingungen unter der Erde, um die Evolutionsgeschichte der Erde zu entschlüsseln

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Flüssige Silikate unter erdnahen Bedingungen

Die Forscher entwickelten eine Technik, mit der sie die atomaren Anordnungen flüssiger Silikate unter den extremen Bedingungen an der Kern-Mantel-Grenze untersuchen können. Dies könnte zu einem besseren Verständnis der frühen geschmolzenen Tage der Erde führen, die sich sogar auf andere felsige Planeten erstrecken könnten. Bildnachweis: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

In den Geowissenschaften war es eine langjährige Herausforderung zu lernen, wie sich flüssige Silikate bei diesen extremen Temperaturen und Drücken verhalten.

Weit unter der Erdoberfläche, etwa 1.800 Meilen tief, liegt eine magmatische Region zwischen dem festen Mantel auf Silikatbasis und dem geschmolzenen eisenreichen Kern: der Kern-Mantel-Grenze. Es ist ein Überbleibsel alter Zeiten, der Urzeit vor etwa 4,5 Milliarden Jahren, als der gesamte Planet geschmolzen war, ein endloses Meer aus Magma. Obwohl der extreme Druck und die extremen Temperaturen der Region das Studium erschweren, enthält sie Hinweise auf die mysteriöse Ursprungsgeschichte der Welt, wie wir sie kennen.

„Wir versuchen immer noch herauszufinden, wie sich die Erde tatsächlich zu formen begann, wie sie sich von einem geschmolzenen Planeten in einen Planeten verwandelte, auf dessen Silikatmantel und Kruste Lebewesen herumlaufen“, sagt Arianna Gleason, Wissenschaftlerin am Energieministerium SLAC National Accelerator Laboratory. “Das Lernen über die seltsamen Verhaltensweisen von Materialien unter unterschiedlichem Druck kann uns einige Hinweise geben.”

Jetzt haben Wissenschaftler einen Weg entwickelt, flüssige Silikate unter den extremen Bedingungen an der Kern-Mantel-Grenze zu untersuchen. Dies könnte zu einem besseren Verständnis der frühen geschmolzenen Tage der Erde führen, die sich sogar auf andere felsige Planeten erstrecken könnten. Die Forschung wurde von den Wissenschaftlern Guillaume Morard und Alessandra Ravasio geleitet. Das Team, dem Gleason und andere Forscher von SLAC und der Stanford University angehörten, veröffentlichte diese Woche ihre Ergebnisse in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

“Es gibt Merkmale von Flüssigkeiten und Gläsern, insbesondere Silikatschmelzen, die wir nicht verstehen”, sagt Morard, Wissenschaftler an der Universität von Grenoble und der Sorbonne in Frankreich. „Das Problem ist, dass geschmolzene Materialien an sich schwieriger zu untersuchen sind. Durch unsere Experimente konnten wir geophysikalische Materialien bei extrem hohen Temperaturen und Drücken der tiefen Erde untersuchen, um ihre Flüssigkeitsstruktur in Angriff zu nehmen und zu lernen, wie sie sich verhalten. In Zukunft werden wir diese Art von Experimenten verwenden können, um die ersten Momente der Erde nachzubilden und die Prozesse zu verstehen, die sie geprägt haben. “

Heißer als die Sonne

Beim SLAC-Röntgenlaser mit linearer Elektronenquelle Linac Coherent Light Source (LCLS) sendeten die Forscher zunächst mit einem sorgfältig abgestimmten optischen Laser eine Stoßwelle durch eine Silikatprobe. Dies ermöglichte es ihnen, Drücke zu erreichen, die denen am Erdmantel entsprechen, zehnmal höher als zuvor mit flüssigen Silikaten erreicht, und Temperaturen von bis zu 6.000 Kelvin, die etwas heißer als die Sonnenoberfläche sind.

Als nächstes trafen die Forscher die Probe mit ultraschnellen Röntgenlaserpulsen von LCLS genau in dem Moment, in dem die Stoßwelle den gewünschten Druck und die gewünschte Temperatur erreichte. Einige der Röntgenstrahlen wurden dann in einen Detektor gestreut und bildeten ein Beugungsmuster. So wie jeder Mensch seine eigenen Fingerabdrücke hat, ist die atomare Struktur von Materialien oft einzigartig. Beugungsmuster zeigen diesen Materialfingerabdruck, sodass die Forscher verfolgen können, wie sich die Atome der Probe als Reaktion auf den Anstieg von Druck und Temperatur während der Stoßwelle neu angeordnet haben. Sie verglichen ihre Ergebnisse mit denen früherer Experimente und molekularer Simulationen, um einen gemeinsamen Entwicklungszeitplan für Gläser und flüssige Silikate bei hohem Druck aufzudecken.

“Es ist aufregend, all diese verschiedenen Techniken zu sammeln und ähnliche Ergebnisse zu erzielen”, sagt der SLAC-Wissenschaftler und Co-Autor Hae Ja Lee. „Dadurch können wir einen kombinierten Rahmen finden, der Sinn macht und einen Schritt nach vorne macht. Es ist im Vergleich zu anderen Studien sehr umfassend. “

Das Atomistische mit dem Planeten verbinden

In Zukunft können Wissenschaftler mit dem LCLS-II-Upgrade sowie mit Upgrades auf das Instrument Matter in Extreme Conditions (MEC), bei dem diese Forschung durchgeführt wurde, die extremen Bedingungen im inneren und äußeren Kern nachbilden, um zu erfahren, wie Eisen ist Verhalten und die Rolle, die es bei der Erzeugung und Gestaltung des Erdmagnetfeldes spielt.

Um diese Studie weiter zu verfolgen, planen die Forscher, Experimente mit höheren Röntgenenergien durchzuführen, um die atomare Anordnung flüssiger Silikate genauer zu messen. Sie hoffen auch, höhere Temperaturen und Drücke zu erreichen, um zu erfahren, wie sich diese Prozesse auf Planeten entwickeln, die größer als die Erde sind, sogenannte Supererden oder Exoplaneten, und wie die Größe und Lage eines Planeten seine Zusammensetzung beeinflusst.

“Diese Forschung ermöglicht es uns, das Atomistische mit dem Planeten zu verbinden”, sagt Gleason. „Seit diesem Monat wurden mehr als 4.000 Exoplaneten entdeckt, von denen sich etwa 55 in der bewohnbaren Zone ihrer Sterne befinden, in der möglicherweise flüssiges Wasser vorhanden ist. Einige davon haben sich zu einem Punkt entwickelt, an dem wir glauben, dass es einen metallischen Kern gibt, der Magnetfelder erzeugen könnte, die Planeten vor Sternwinden und kosmischer Strahlung schützen. Es gibt so viele Teile, die zusammenpassen müssen, damit sich das Leben bildet und erhalten bleibt. In diesem Zeitalter der Entdeckung ist es entscheidend, wichtige Messungen durchzuführen, um die Konstruktion dieser Planeten besser zu verstehen. “

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Referenz: “In-situ-Röntgenbeugung von Silikatflüssigkeiten und Gläsern unter dynamischer und statischer Kompression auf Megabardruck” von Guillaume Morard, Jean-Alexis Hernandez, Marco Guarguaglini, Riccardo Bolis, Alessandra Benuzzi-Mounaix, Tommaso Vinci, Guillaume Fiquet, Marzena A. Baron, Sang Heon Shim, Byeongkwan Ko, Arianna E. Gleason, Wendy L. Mao, Roberto Alonso-Mori, Hae Ja Lee, Bob Nagler, Eric Galtier, Dimosthenis Sokaras, Siegfried H. Glenzer, Denis Andrault, Gaston Garbarino, Mohamed Mezouar, Anja K. Schuster und Alessandra Ravasio, 15. Mai 2020, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
DOI: 10.1073 / pnas.1920470117

Ravasio ist Wissenschaftler an der Sorbonne University und der Ecole Polytechnique in Frankreich. Zum Team gehörten auch Forscher der Arizona State University; das Universität Oslo, Norwegen; das Nationalmuseum für Naturgeschichte, die Clermont Auvergne University, die französische Kommission für alternative Energien und Atomenergie und die Europäische Synchrotronstrahlungsanlage in Frankreich; und Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendor in Deutschland.

LCLS ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science. Diese Forschung wurde teilweise vom DOE Office of Science unterstützt [Basic Energy Science and Fusion Energy Science].

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