ETH Zürih’teki araştırmacılar, laboratuvarda, Dünya’nın çekirdeği ile manto arasındaki sınırda ortak bir mineralin ısıyı ne kadar iyi ilettiğini gösterdi.
Bu, onları, Dünya’nın ısısının önceden düşünülenden daha erken soğuyabileceğinden şüphelenmelerine yol açar.
Bu durum dünyamızın evrimi ve soğumasının hikayesidir: 4,5 milyar yıl önce, genç Dünya’nın yüzeyinde aşırı sıcaklıklar hüküm sürdü ve derin bir magma okyanusu tarafından kaplandı.
Milyonlarca yıl boyunca, gezegenin yüzeyi kabuk oluşturacak şekilde soğudu. Bununla birlikte, Dünya’nın iç kısmından yayılan muazzam termal enerji, manto konveksiyonu, levha tektoniği ve volkanizma gibi dinamik süreçleri harekete geçirir.
(Manto konveksiyonu, gezegenin içinden yüzeyine ısı taşıyan konveksiyonu akımlarının sebep olduğu, Dünya’nın katı silikat örtüsünün çok yavaş sürünen hareketidir. Dünya’nın yüzey litosferi astenosferin üstüne biniyor ve ikisi üst manto bileşenlerini oluşturuyor.)
Yine de, Dünya’nın ne kadar hızlı soğuduğu ve bu devam eden soğutmanın yukarıda bahsedilen ısı kaynaklı süreçleri durdurmasının ne kadar süreceği soruları hala cevapsız.
Olası bir cevap, Dünya’nın çekirdeği ile manto arasındaki sınırı oluşturan minerallerin termal iletkenliğinde olabilir.
Bu sınır tabakası önemlidir, çünkü Dünya’nın mantosunun viskoz kayası, gezegenin dış çekirdeğinin sıcak demir-nikel eriyiği ile doğrudan temas halindedir. İki katman arasındaki sıcaklık gradyanı çok diktir, dolayısıyla burada potansiyel olarak çok fazla ısı akışı vardır.
Sınır tabakası esas olarak mineral bridgmanitten oluşur. (Bridgmanit, gezegenin toplam hacminin yaklaşık% 38’ini oluşturur, yani dünyadaki en bol mineraldir.) Ancak araştırmacılar, bu mineralin Dünya’nın çekirdeğinden mantoya ne kadar ısı ilettiğini tahmin etmekte zorlanıyor çünkü deneysel olarak bunu doğrulamak çok zor.
Şimdi, ETH Profesörü Motohiko Murakami ve Carnegie Bilim Enstitüsü’nden meslektaşları, Dünya’nın içinde geçerli olan basınç ve sıcaklık koşulları altında laboratuvardaki bridgmanitin termal iletkenliğini ölçmelerini sağlayan karmaşık bir ölçüm sistemi geliştirdiler.
Ölçümler için, darbeli lazerle ısıtılan bir elmas ünitesinde yakın zamanda geliştirilmiş bir optik soğurma ölçüm sistemi kullandılar.
Murakami, “Bu ölçüm sistemi, bridgmanitin termal iletkenliğinin varsayılandan yaklaşık 1,5 kat daha yüksek olduğunu göstermemize izin veriyor” diyor. Bu, çekirdekten mantoya ısı akışının da önceden düşünülenden daha yüksek olduğunu gösteriyor.
Daha fazla ısı akışı, manto konveksiyonunu arttırır ve Dünya’nın soğumasını hızlandırır. Bu , mantonun konveksiyon hareketleriyle sürdürülen levha tektoniğinin, araştırmacıların daha önceki ısı iletim değerlerine göre beklediklerinden daha hızlı yavaşlamasına neden olabilir. (Konveksiyon, katı yüzey ile akışkan arasında gerçekleşen ısı transferinin bir çeşididir.)
Murakami ve meslektaşları, mantonun hızlı soğumasının çekirdek-manto sınırındaki kararlı mineral fazlarını değiştireceğini de göstermiştir. Soğuduğunda, bridgmanit mineral post-perovskite dönüşür. (Post-perovskit, magnezyum silikatın yüksek basınçlı bir fazıdır.)
Ancak araştırmacılar, post-perovskit çekirdek-manto sınırında belirgin ve hakim olmaya başlar başlamaz, mantonun soğumasının gerçekten daha da hızlanabileceğini tahmin ediyor, çünkü bu mineral ısıyı bridgmanitten bile daha verimli iletiyor.
Murakami, “Sonuçlarımız bize Dünya’nın dinamiklerinin evrimi hakkında yeni bir bakış açısı verebilir. Diğer kayalık gezegenler Merkür ve Mars gibi, Dünya’nın da beklenenden çok daha hızlı soğuduğunu ve hareketsiz hale geleceğini öne sürüyorlar,” diye açıklıyor.
Ancak, örneğin mantodaki konveksiyon akımlarının durmasının ne kadar süreceğini söyleyemez.
“Bu tür olaylar hakkında, zamanlarını belirlemek için hâlâ yeterince bilgimiz yok.” Bunu yapmak için öncelikle manto konveksiyonunun uzamsal ve zamansal olarak nasıl çalıştığının daha iyi anlaşılması gerekir.
Dahası, bilim adamlarının, Dünya’nın iç kısmındaki – ana ısı kaynaklarından biri olan – radyoaktif elementlerin bozunmasının manto dinamiklerini nasıl etkilediğini açıklığa kavuşturmaları gerekiyor.
Kaynak ve ileri okuma: Motohiko Murakami et al, Radiative thermal conductivity of single-crystal bridgmanite at the core-mantle boundary with implications for thermal evolution of the Earth, Earth and Planetary Science Letters (2021). DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117329
Çeviri: Ali Ekber ÖZGEN
