Дробление и взрыв камней в лаборатории помогает ученым воссоздать условия высокого давления и палящего зноя в недостижимо глубоких частях планет.
В лаборатории, окутанной тяжелыми черными шторами, увешанными знаками опасности, ученые изображают из себя раскаленные условия высокого давления внутри планет.
Для начала они помещают крошечные кусочки планетарных строительных блоков между кончиками двух алмазов. Затем они стреляют лазерами через драгоценные камни, чтобы нагреть их. Образцы размером с крупинку могут достигать давления, в несколько миллионов раз превышающего то, что люди чувствуют на Земле, и они могут нагреваться так же, как поверхность Солнца.
Добро пожаловать в деликатный, специализированный и иногда взрывоопасный мир исследований высокого давления.
Дробление и взрыв образцов в лаборатории помогает ученым заглянуть внутрь себя, воссоздавая условия иначе недоступных глубоких частей планеты. Работа является ключом к исследованию некоторых из самых глубоких вопросов о нашем существовании: что делает Землю пригодной для жизни? Как возникла жизнь? И как геологические процессы, которые мы до сих пор не до конца понимаем, поддерживают жизнь сегодня?
В последние годы внимание поля также сместилось наружу, к тысячам планет, которые, как известно, вращаются вокруг других звезд. Астрономы показали нам, что наша галактика усеяна целым зверинцем водных миров, суперземлей, горячих юпитеров и субнептунов, некоторые из которых предлагают дразнящие намеки на то, что они могут поддерживать жизнь. Поскольку мы не можем посетить эти планеты, не говоря уже о том, чтобы исследовать их недра, следующим лучшим выходом будет попытаться придумать их в лаборатории.
«До сих пор в сообществе наук о Земле нашей основной целью было объяснение нашего существования», — сказал Дэн Шим, минералог из Университета штата Аризона, чья лаборатория работает над созданием планетарных внутренностей в миниатюре. «Но теперь, с открытием экзопланет, у нас возникают новые вопросы».
Чтобы подстегнуть эти исследования, Соединенные Штаты собираются получить свой первый по-настоящему «большой пресс» — двухэтажную дробилку, о которой ученые мечтали в течение десятилетия, с приводом от гидроцилиндра, который может развивать усилие в 6000 тонн. . Прибор, получивший название Ichiban, позволит ученым сжимать значительно большие образцы, улучшая наше понимание того, что происходит с материалами в экстремальных условиях.
Это часть финансируемого государством объекта FORCE стоимостью 13,7 миллиона долларов, в котором будет размещен набор инструментов с новыми возможностями сжатия, сжатия и скручивания.
«Мы живем в интересное время. Наше невежество все еще настолько глубоко, что мы задаем действительно простые вопросы», — сказал Джозеф О’Рурк, планетолог из ASU.
О’Рурк не проводит экспериментов с высоким давлением, но он использует полученные результаты и интегрирует их в модели, чтобы лучше понять, как формировались и развивались планеты. Иногда эти модели дают экстраординарные возможности. Он вспомнил недавний семинар, на котором коллега представил модель экзотического планетарного интерьера, сделанного из миль и миль алмазов.
«Вы можете создавать все эти модели, и эти вещи технически мыслимы, согласно физике и химии», — сказал О’Рурк. «Нам предстоит проделать огромную работу, чтобы собрать данные, чтобы узнать, являются ли наши истории научной фантастикой или научным фактом».
«Готовь и смотри»
Внутренняя жизнь планет выглядит аккуратной и простой на иллюстрациях в учебниках. Слои Земли — твердое внутреннее ядро, расплавленное внешнее ядро, мантия, кора — выглядят концентрическими, имеют цветовую кодировку и симметричны, как леденцы.
Но на деле все обстоит гораздо сложнее.
Измеряя, как сейсмические волны от землетрясений распространяются по планете, геологи наносят на карту температуру, давление и свойства породы или жидкости внутри, что позволяет им расшифровывать структурные особенности внутренностей планеты, как врач, читающий ультразвук. Эти карты все чаще показывают, что вложенные слои планеты нерегулярны, иногда гористы и очень динамичны.
«У основания мантии, где мантия и ядро сходятся вместе, есть намек на то, что там внизу происходит что-то действительно интригующее», — сказал Дэвид Ламберт, сотрудник программы Национального научного фонда.
Понимание анатомии внутренней части Земли является важным шагом к выяснению того, почему внешняя часть пригодна для жизни. И многое из этого сводится к базовой химии.
Твердое внутреннее ядро Земли растет по мере затвердевания расплавленного материала вокруг него, высвобождая в процессе более легкие элементы, которые подпитывают турбулентную конвекцию во внешнем ядре. Это, в свою очередь, создает магнитное поле, защищающее жизнь от вредных космических лучей и не позволяющее солнцу сдуть нашу атмосферу. Тепло также перемещается из жидкого внешнего ядра в мантию, способствуя тектонической активности, вызывающей землетрясения и извержения вулканов, которые выделяют газы и пыль, способные изменить климат.
«Двигатель, который поддерживает наше магнитное поле, может зависеть от химического поведения кислорода или серы, заключенных в бурлящем внешнем железном ядре Земли», — сказал Квентин Уильямс, планетолог из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
Недавняя буровая экспедиция привела ученых в восторг, когда они подняли мантийные породы, расположенные необычно близко ко дну океана. Но расстояние от поверхности до ядра почти равно расстоянию от Вашингтона, округ Колумбия, до Финикса — слишком глубоко для бурения.
Поэтому, чтобы получить представление о том, что происходит на глубине, ученые «готовят и смотрят» — они сжимают и нагревают различные комбинации химических веществ в лаборатории, а затем смотрят, что получается.
Алмазные наковальни
Ученые знают, какие химические элементы преобладают в слоях Земли, из множества потоков данных, включая измерения плотности планеты, состав метеоритов, которые являются остатками планетарных строительных блоков, и кусочки внутренностей Земли, которые попадают на поверхность в результате извержений вулканов. .
На протяжении десятилетий ученые подвергали эти ингредиенты воздействию огромной температуры и давления, поворачивая винты простого устройства размером с ладонь, называемого ячейкой с алмазной наковальней, одной из специальностей Шима. Они были изобретены в конце 1950-х годов, когда Управление общих служб предоставило ученым бесплатно конфискованные у контрабандистов алмазы.
Сегодня исследования ячеек с алмазными наковальнями стали настолько устоявшейся нишей, что ученые могут покупать алмазы у научного поставщика вместо того, чтобы ездить к ювелирам на Манхэттене, как это делал Шим в начале своей карьеры.
Исследователям необходимо постоянное снабжение, потому что при достаточном давлении даже алмазы могут разрушиться, что ученые называют выбросом. Звучит как звон ложки о бокал с шампанским, но реальное воздействие оказывается эмоциональным для ученых, которым приходится снова начинать свои эксперименты с нуля. У Шима есть две коробки с разбитыми бриллиантами в задней части его лаборатории, некоторые из них — на память об особенно важных экспериментах.
Исследования с алмазными наковальнями уже принесли ряд захватывающих открытий, помогая раскрыть красочные слои недр Земли. В верхней мантии преобладает оливин с зеленым оттенком, но под давлением и более высокими температурами он превращается в голубоватый минерал, называемый вадслеитом, а затем в еще более глубокий синий рингвудит. Форма силикатного перовскита, недавно названного бриджманитом, преобладает в нижней мантии.
Два десятилетия назад эксперименты с алмазными наковальнями выявили новую минеральную фазу на загадочной границе между ядром и мантией. Этот слой завораживает геологов, потому что он играет важную роль в том, как тепло перемещается между ядром и мантией, и помогает управлять тектоникой плит и вулканами.
Эксперименты также могут дать представление о внутренностях планет за пределами Земли. Недавним днем в лаборатории Шима ученый с докторской степенью Сибо Чен исследовал вопрос, почему Марс представляет собой сухую, бесплодную пустошь.
Особенности и минералы, обнаруженные группой марсоходов, позволяют предположить, что вода на Красной планете должна была быть в изобилии миллиарды лет назад. Одно из возможных объяснений того, почему Марс сегодня такой сухой, заключается в том, что вода глубоко внутри планеты уничтожила защитное магнитное поле планеты.
Чен сжал частицы рингвудита, минерала мантии Марса, который может удерживать воду, рядом с железом, которое доминирует в его ядре и может сплавляться с водородом под давлением. Эксперимент, по сути, представляет собой соревнование, чтобы увидеть, где вода — или ее основной ингредиент, водород — оказывается под давлением и при нагревании. Точные повороты шестигранных ключей привели образец к давлению на границе ядра и мантии Марса, примерно в 200 000 раз превышающему земное атмосферное давление.
«Мы готовы к работе», — сказал Чен, включив лазер и наблюдая на экране, как светящаяся точка сфокусировалась там, где луч нагревал образец. При повышении температуры точка начала мерцать.
Несколько дней спустя Чен упаковал ячейку с алмазной наковальней в специальный мягкий футляр и отправился с ней на рентгеновский луч в Калифорнию, чтобы изучить структуру минерала. Он все еще анализирует данные, но если эксперимент покажет, что водород втягивается в железное ядро, это может помочь понять, почему магнитное поле Марса исчезло около 4 миллиардов лет назад. Если легкий элемент, такой как водород, мигрирует в жидкое железное ядро, он может плавать, образуя стабильный слой наверху, прерывая конвективное перемешивание, питающее магнитное поле.
Газовые пушки и большая пресса
Какими бы откровенными ни были эти эксперименты, ячейки с алмазными наковальнями имеют свои пределы. Во-первых, образцы должны быть микроскопическими, тоньше человеческого волоса. Чтобы сжать более крупные образцы, ученые обращаются к другому устройству, называемому прессом с несколькими упорами.
Курт Ляйненвебер, один из руководителей нового объекта FORCE в ASU, вспоминает поездку, которую он совершил в Японию в 1989 году, когда он впервые использовал пресс с несколькими наковальнями, который мог создавать в лаборатории некоторые минеральные изменения, происходящие внутри. Земля.
«Я был так взволнован, что не мог спать по ночам», — вспоминал он. «Просто лежа там, я не мог перестать думать о вещах, которые ты мог бы сделать».
Сегодня прессы с несколькими наковальнями используются в лабораториях по всей стране, но ученые смогут использовать сверхбольшой Ичибан для тестирования образцов размером с ластик для карандашей и проведения измерений, которые затруднительны в меньших масштабах.
«Вы можете проводить измерения их физических свойств — скорости звука, электропроводности, теплопроводности — потому что у вас что-то есть в руке», а не пятнышко под микроскопом, — сказал Роберт С. Либерманн, профессор-исследователь Департамента наук о Земле в Университет Стони Брук. Он проработал в этой области более четырех десятилетий и очень рад видеть, что Соединенные Штаты наконец-то получили широкую известность в прессе, догнав Японию, Германию и Китай.
Но чтобы надежно достичь экстремальных давлений в ядре Земли или даже внутри еще более крупных планет, ученым нужны новые инструменты.
«Поведение ядра — вот где экспериментальные методики довольно примитивны», — сказала Александра Навроцкая, директор Центра материалов Вселенной имени Навроцкого Айринга в АГУ.
Ученые, стремящиеся создать максимальное давление, стреляют снарядами из газовой пушки или используют мощные лазерные импульсы. Исследователи могут получить только миллионную или миллиардную долю секунды данных, но они могут получить свои образцы при давлении, близком к давлению в ядре Земли — или выше. Это особенно интересно для изучения экзопланет, поскольку некоторые из найденных до сих пор инопланетных миров являются более экстремальными, чем что-либо в нашей Солнечной системе.
Суперземли — это одна из категорий экзопланет, которая вызвала удивление у обитателей. Ключевой вопрос заключается в том, содержат ли эти планеты бурлящее жидкое ядро внутри, которое создает защитное магнитное поле, делая их поверхности потенциально обитаемыми.
Салли Джун Трейси из Института науки Карнеги в Вашингтоне проводит эти эксперименты за доли секунды. Она сказала, что одна из самых захватывающих вещей, которые она находит во всей области, заключается в том, что эксперименты охватывают совершенно разные масштабы времени и размера, исследуя миниатюру, чтобы заполнить изображения размером с планету.
«Мы проводим сверхбыстрые эксперименты, чтобы обдумать историю Солнечной системы, и работаем с очень маленькими образцами… чтобы понять крупномасштабные процессы, влияющие на эволюцию планетарных тел», — сказала Трейси.
«Это просто сводит меня с ума».
No comments:
Post a Comment