در اعماق سیارات سنگی مانند زمین، رفتار آهن می تواند به طور قابل توجهی بر خواص مواد سنگ مذاب تأثیر بگذارد: خواصی که بر شکل گیری و تکامل زمین تأثیر گذاشت.
در واقع، تکامل کل سیاره ما ممکن است توسط حالت کوانتومی میکروسکوپی این اتم های آهن هدایت شود. یکی از ویژگی‌های خاص آهن «حالت اسپین» آن است که یک ویژگی کوانتومی الکترون‌های هر اتم آهن است که بر رفتار مغناطیسی و واکنش‌پذیری آنها در واکنش‌های شیمیایی حاکم است. تغییرات در حالت چرخش می تواند بر اینکه آهن ترجیح می دهد در سنگ مذاب باشد یا به صورت جامد و اینکه سنگ مذاب چگونه الکتریسیته را هدایت می کند، تأثیر بگذارد.
تا به حال، بازآفرینی شرایط شدید در این مواد سنگ مذاب، به نام مذاب سیلیکات، برای اندازه‌گیری حالت چرخش آهن، یک چالش بوده است. با استفاده از لیزرهای قدرتمند و اشعه ایکس فوق سریع، یک تیم بین المللی از محققان از آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC وزارت انرژی، دانشگاه استنفورد، دانشگاه گرنوبل-آلپ، آزمایشگاه استفاده از لیزرهای شدید (LULI) و دانشگاه ایالتی آریزونا بر این مشکل غلبه کردند. چالش آنها نشان دادند که در فشارها و دماهای بسیار بالا، آهن موجود در مذاب سیلیکات عمدتاً حالت اسپین پایینی دارد، به این معنی که الکترون‌های آن به مرکز نزدیک‌تر می‌مانند و در سطوح انرژی خود جفت می‌شوند و آهن را کمتر مغناطیسی و پایدارتر می‌کنند.
نتایج که روز جمعه در Science Advances منتشر شد، از این ایده حمایت می‌کند که انواع خاصی از سنگ‌های مذاب ممکن است در اعماق زمین و سایر سیارات سنگی پایدار باشند و به طور بالقوه به ایجاد میدان‌های مغناطیسی کمک کنند. این تحقیق پیامدهای بالقوه ای برای درک تکامل زمین، تفسیر سیگنال های لرزه ای و حتی مطالعه سیارات فراخورشیدی دارد.
دان شیم، محقق در ایالت آریزونا، گفت: از نظر مطالعه تاریخ زمین، ما در حال بررسی فرآیندهایی هستیم که بیش از 4 میلیارد سال پیش رخ داده است. “تنها راه برای بررسی این موضوع استفاده از فناوری مدرن است که در فمتوثانیه کار می کند. تضاد بین این مقیاس‌های زمانی گسترده، هم گویا و هم شگفت‌انگیز است: شبیه به ایده ماشین زمان است.
بمباران سیارک ها و اقیانوس های ماگما
حدود 4.3 تا 4.5 میلیارد سال پیش، زمین اولیه برخوردهای شدیدی را با سیارک هایی به اندازه شهرها تجربه کرد. این ضربه‌ها آنقدر گرما تولید کردند که توانستند لایه‌های بیرونی سیاره را کاملا ذوب کنند و اقیانوسی عمیق از سنگ مذاب ایجاد کنند.
آریانا گلیسون، دانشمند و دانشمند SLAC، می‌گوید: «تئوری وجود دارد که تحت فشار عظیم این ضربه‌ها، سنگ مذاب ممکن است متراکم‌تر از سنگ جامد شده باشد.» این ماگمای متراکم‌تر به سمت هسته فرو می‌رود و نشانه‌های شیمیایی آن دوران را می‌گیرد. برخی بر این باورند که بقایای این لایه ماگما ممکن است هنوز وجود داشته باشد و سرنخ هایی از 4.5 میلیارد سال پیش را حفظ کند. آتشفشان هایی مانند آتشفشان هاوایی ممکن است این نشانه های شیمیایی باستانی را منتشر کنند و نگاهی اجمالی به گذشته دور زمین به ما بدهد.
در اعماق کم، سنگ مذاب در حالت جامد فضای بیشتری نسبت به همان ماده اشغال می کند. اما با جلوتر رفتن و افزایش فشار، این تفاوت کاهش می یابد. ترکیب آهن، به ویژه حالت اسپین آن، نقش زیادی در تعیین این خواص دارد. تحقیقات قبلی نتایج متفاوتی را در مورد وضعیت چرخشی آهن در شرایط مشابه نشان داده است: برخی از مطالعات تغییر سریعی را در وضعیت چرخشی آهن در فشارهای بالا نشان داده‌اند، در حالی که برخی دیگر تغییرات آهسته‌تر و تدریجی‌تری را مشاهده کرده‌اند.
این مطالعه جدید اولین بینش مستقیم را در مورد رفتار آهن در سنگ مذاب واقعی در شرایط شدید ارائه می دهد.
شیم گفت: «اگرچه می‌توانیم از مطالعه سنگ‌ها و فسیل‌ها چیزهای زیادی به‌دست آوریم، برخی از جنبه‌های تاریخ اولیه زمین از بین رفته‌اند، زیرا سوابق کمی از آن زمان وجود دارد.» “این چیزی است که این تحقیق را منحصر به فرد می کند. شکل‌گیری زمین فرآیندی پر فراز و نشیب شامل ضربه‌های شدید و منتهی به یک لایه سنگ مذاب جهانی بود. فشار در این لایه بسیار زیاد بود. ما این را با شبیه سازی شرایط از طریق آزمایش های آزمایشگاهی مطالعه می کنیم.
آزمایشی در موضوع تحت شرایط شدید (MEC). کلبه در منبع نور منسجم Linac (LCLS) SLAC، تیم توانست فشارهای شدیدی را که در اقیانوس ماگمای اولیه زمین یافت می‌شد، با انفجار نمونه‌هایی با لیزرهای قدرتمند که ماده جامد را به مذاب سیلیکات در چند نانوثانیه تبدیل می‌کند، بازسازی کند. سپس دانشمندان از پالس های پرتو ایکس فمتوثانیه ای از LCLS برای کاوش در ساختار الکترونیکی عناصری مانند آهن در این شرایط شدید استفاده کردند و بینشی در مورد چگونگی تغییر پیکربندی های الکترونیکی در شرایط مختلف ارائه کردند و نشان دادند که ماگمای مذاب واقعاً از جامد زیر چگال تر شده است. شرایط خاص
گلیسون گفت: «با درک دینامیک داخلی زمین، می‌توانیم الگوهای حرکت تکتونیکی و دیگر پدیده‌های زمین‌شناسی را اصلاح کنیم. علاوه بر این، از آنجایی که لایه‌های زمین به هم مرتبط هستند، این یافته‌ها پیامدهایی برای علم آب و هوا دارد.
درک سیاره ما
در این مطالعه، تیم بر روی ذوب‌های کم آهن تمرکز کرد. اما همانطور که این مواد به سمت مرکز زمین می‌بارند، فرض می‌شود که آهن بیشتری جذب می‌کند و آن را متراکم‌تر می‌کند. برای پیگیری، تیم قصد دارد مذاب‌هایی را با محتوای آهن بالاتر بررسی کند. آنها همچنین امیدوارند که با ذوب های حاوی آب کمی آزمایش کنند و درک ما از چرخه آب و آب و هوای زمین را عمیق تر کنند.
این تحقیقات همچنین می‌تواند سرعت‌های لرزه‌ای عجیب و غریب در اعماق گوشته زمین را روشن کند. این ناهنجاری ها برای دهه ها دانشمندان را متحیر کرده است. برخی از نظریه‌ها نشان می‌دهند که این مناطق ممکن است بقایای ماگما از 4.5 میلیارد سال پیش باشند، در حالی که برخی دیگر معتقدند که آنها نتیجه صفحات تکتونیکی هستند که در داخل زمین فرو می‌روند و موادی با نقطه ذوب پایین پخش می‌کنند. با مقایسه فرضیه‌های مختلف با استفاده از تصویربرداری لرزه‌ای، هدف این تیم تعیین منشأ این مناطق و تمایز بین مواد باستانی و جدیدتر است.
روبرتو آلونسو موری، دانشمند SLAC و همکارش، گفت: «با پیشرفت فناوری، ما در خط مقدم مقابله با چالش‌های بزرگی قرار داریم که از کانی‌شناسی گرفته تا علم آب و هوا را شامل می‌شود.» حجم عظیم اطلاعاتی که می توانیم جمع آوری کنیم، توانایی های ما را تغییر می دهد. این یک تغییر دهنده بازی است. ایجاد تکنیک‌های جدید و به‌کارگیری آنها در سؤالات فوری با چنین تیم متنوعی هیجان‌انگیز است.»
LCLS یک تسهیلات کاربری دفتر علوم DOE است. این تحقیق تا حدی توسط دفتر علوم پشتیبانی شد.
