Dünyanın iç soğutması ‘beklenenden çok daha hızlı’

ETH Zürih’teki araştırmacılar, laboratuvarda, Dünya’nın çekirdeği ile manto arasındaki sınırda bulunan ortak bir metalin ısıyı ne kadar iyi ilettiğini gösterdi. Bu, onları, Dünya’nın ısısının önceden düşünülenden daha erken dağılabileceğinden şüphelenmelerine yol açar.

Gezegenimizin evrimi bir serinlik hikayesidir: 4,5 milyar yıl önce, genç Dünya’nın yüzeyinde aşırı sıcaklıklar hüküm sürdü ve derin bir magma okyanusu ile kaplandı. Milyonlarca yıl boyunca, gezegenin yüzeyi gevrek bir kabuk oluşturmak üzere soğudu. Bununla birlikte, Dünya’nın iç kısmından yayılan muazzam termal enerji, manto konveksiyonu, levha tektoniği ve volkanizma gibi dinamik süreçleri harekete geçirir.

Ancak, Dünya’nın ne kadar hızlı soğuyacağı ve bu sürekli soğumanın yukarıdaki termal süreçleri durdurmasının ne kadar süreceği ile ilgili sorular cevapsız kalıyor.

Olası bir cevap, Dünya’nın çekirdeği ile manto arasındaki sınırı oluşturan minerallerin termal iletkenliğinde olabilir.

Bu sınır tabakası önemlidir, çünkü Dünya’nın mantosunun yapışkan kayalarının, gezegenin dış çekirdeğindeki sıcak eriyen demir ve nikel ile doğrudan temas halinde olduğu yer burasıdır. İki katman arasındaki sıcaklık gradyanı oldukça diktir, bu nedenle burada çok fazla ısı akışı olması muhtemeldir. Sınır tabakası esas olarak mineral köprü manitten oluşur. Bununla birlikte, deneysel doğrulama çok zor olduğu için araştırmacılar, bu mineralin Dünya’nın çekirdeğinden mantoya ne kadar ısı geçtiğini tahmin etmekte zorlanıyorlar.

Şimdi, ETH Profesörü Motohiko Murakami ve Carnegie Bilim Enstitüsü’nden meslektaşları, Dünya’nın içinde geçerli olan basınç ve sıcaklık koşulları altında, laboratuvarda köprü manitin termal iletkenliğini ölçmelerini sağlayan karmaşık bir ölçüm sistemi geliştirdiler. Ölçümler için, darbeli lazerle ısıtılan elmas ünitesinde yeni geliştirilmiş bir optik absorbans ölçüm sistemi kullandılar.

Bridgemanitin yüksek basınç ve maksimum sıcaklık altında ısıl iletkenliğini belirlemek için bir ölçüm cihazı. Kredi: Murakami M, et al, 2021’den

Murakami, “Bu ölçüm sistemi, köprücüktaşının termal iletkenliğinin varsayılandan yaklaşık 1,5 kat daha yüksek olduğunu göstermemizi sağlıyor” diyor. Bu, çekirdekten mantoya olan ısı akışının da önceden düşünülenden daha yüksek olduğunu gösterir. Daha büyük ısı akışı, mantodaki konveksiyonu arttırır ve Dünya’nın soğumasını hızlandırır. Bu, mantodaki konvektif hareketlerle sürdürülen levha tektoniğinin hareketinin, daha önceki termal iletkenlik değerlerine dayanarak araştırmacıların beklediğinden daha hızlı yavaşlamasına neden olabilir.

Murakami ve meslektaşları ayrıca mantonun hızlı soğumasının çekirdek-manto sınırındaki kararlı mineral fazlarını değiştireceğini de gösteriyor. Soğuduğunda, köprücük minerali post-perovskite dönüşür. Ancak araştırmacılar, post-perovskit çekirdek-manto sınırında belirip hakim olmaya başladığında, mantonun soğumasının aslında hızlanabileceğini tahmin ediyor, çünkü bu mineral ısıyı köprücükten daha verimli iletiyor.

“Sonuçlarımız bize Dünya dinamiklerinin evrimi hakkında yeni bir bakış açısı verebilir. Dünya’nın, diğer kayalık gezegenler gibi Merkür ve MarsBeklenenden çok daha hızlı soğur ve hareketsiz hale gelir,” diye açıklıyor Murakami.

Ancak, örneğin mantodaki konvektif akımların durmasının ne kadar süreceğini söyleyemez. “Bu tür olaylar hakkında zamanlarını belirlemek için hala yeterince bilgimiz yok.” Bunu yapmak için önce uzay ve zaman mantosunda konveksiyonun nasıl çalıştığının daha iyi anlaşılması gerekir. Ayrıca bilim adamlarının, Dünya’nın iç kısmındaki – ana ısı kaynaklarından biri olan – radyoaktif elementlerin bozunmasının manto dinamiklerini nasıl etkilediğini netleştirmesi gerekiyor.

Referans: Motohiko Murakami, Alexander F. Goncharov, Nobuyoshi Miyajima, Daisuke Yamazaki ve Nicholas Holtgrove, 8 Aralık 2021, Dünya ve Gezegen Bilimi Mektupları.
DOI: 10.1016 / j.epsl.2021.117329