이미지 크레디트 : NASA
버클리 대 (University of Berkeley)의 지질 학자들은 방사성 칼륨이 지구의 핵심에 상당한 열원이 될 수 있다고 생각합니다. 그러나 지질 학자들은 칼륨이 고온과 고압에서 철과 함께 무거운 합금을 형성 할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 그래서 지구의 중간으로 가라 앉았을 수도 있고, 핵심 구성 요소 인 열의 5 분의 1을 구성 할 수있었습니다.
캘리포니아 대학교 버클리 (University of Berkeley) 지구 물리학 자의 최근 실험에 따르면, 지구에서 칼륨이 풍부한 바나나를“가장 인기있는”음식 중 하나로 만들기에 충분한 방사성 칼륨은 지구의 핵심에 상당한 열원 인 것으로 보인다.
방사성 칼륨, 우라늄 및 토륨은 지구의 형성에 의해 발생되는 열을 제외하고 지구 내부의 3 가지 주요 열원으로 생각됩니다. 열은 맨틀을 활발하게 휘젓 게하고 코어는 보호 자기장을 생성합니다.
그러나 지구 물리학 자들은 지구의 지각과 맨틀에서 지구를 형성 한 암석 유성의 구성에 기초한 것보다 훨씬 적은 칼륨을 발견했습니다. 일부 사람들이 제안한 바와 같이, 누락 된 칼륨이 지구의 철심에 존재한다면, 특히 철과 칼륨이 혼합되지 않았기 때문에 칼륨만큼 가벼운 원소는 어떻게 도달 했습니까?
최근에 박사 학위를 취득한 Kanani Lee UC Berkeley와 UC 버클리 지구 및 행성 과학 교수 Raymond Jeanloz는 가능한 답을 발견했습니다. 그들은 지구 내부의 고압과 온도에서 칼륨이 이전에는 결코 관찰되지 않은 철과 합금을 형성 할 수 있음을 보여주었습니다. 행성이 형성되는 동안,이 칼륨-철 합금은 코어로 가라 앉아 맨틀과 크러스트에서 칼륨을 고갈시키고 핵의 우라늄과 토륨에 의해 공급되는 것 외에도 방사성 칼륨 열원을 제공 할 수 있습니다.
Lee는 2 개의 다이아몬드 끝과 표면 아래 600-700km의 온도 및 압력-섭씨 2,500도 및 평방 인치당 거의 4 백만 파운드, 또는 1/4만의 대기 중 1/4에 이르는 철과 칼륨을 압착하여 새로운 합금을 만들었습니다. 압력.
"우리의 새로운 발견은 코어가 1/10 분의 1에 불과한 백만 백만 분율의 칼륨을 함유 할 수 있음을 나타냅니다." “이 양은 적어 보일 수 있으며 바나나에 자연적으로 존재하는 방사성 칼륨의 농도와 비슷합니다. 그러나 지구의 핵심 전체에 결합되어 지구에서 방출되는 열의 5 분의 1을 제공하기에 충분할 것입니다.”
Lee와 Jeanloz는 12 월 10 일, 샌프란시스코에서 열린 미국 지구 물리학 연합 회의에서 그리고 지구 물리학 연구서에 게재 된 논문에서 그들의 발견을보고 할 것입니다.
“한 번의 실험으로 Lee와 Jeanloz는 칼륨이 지오 디나모의 중요한 열원 일 수 있음을 보여 주었고, 핵심 열 진화의 문제가되는 부분을 피할 수 있었으며, 현대의 계산 광물 물리학은 실험 작업을 보완 할뿐만 아니라 UC Berkeley의 지구 및 행성 과학 교수 Mark Bukowinski는 1970 년대 중반에 이례적인 합금을 예측했다고 말했다.
시카고 대학의 지구 물리학 자 브루스 버핏 (Bruce Buffett)은 철분이 실제로 지구 맨틀에서 지배되는 규산염 암석으로부터 칼륨을 끌어낼 수 있다는 것을 보여주기 위해 더 많은 실험이 필요하다고 경고했다.
뷔페는“포타슘을 액체 철에 녹이는 것이 가능하다는 것을 증명했다. “모델러는 열이 필요하므로 칼륨의 방사성 동위 원소가 열을 생성 할 수 있고 코어의 전력 대류를 촉진하고 자기장을 구동 할 수 있기 때문에 이것이 하나의 원인입니다. 그들은 들어갈 수 있음을 증명했습니다. 중요한 것은 규산염에서 얼마나 많이 꺼 냈는지입니다. 아직해야 할 일이 있습니다 "
상당한 양의 칼륨이 지구의 핵심에 존재한다면, 이것은 아마도 지구를 형성하기 위해 합쳐진 스토니 운석 (콘드 라이트)에서 칼륨 대 우라늄의 비율이 관측 된 것보다 8 배 더 큰 이유를 분명히 해줄 것입니다. 지각의 비율. 일부 지질 학자들은 누락 된 칼륨이 핵에 존재한다고 주장했지만 핵에 도달 할 수있는 메커니즘은 없었다. 산소 및 탄소와 같은 다른 원소 또는 철과의 합금 또는 합금과 같은 다른 원소는 철에 의해 코어로 침지 될 때 철에 의해 아래로 끌려갔습니다. 그러나 정상적인 온도와 압력에서 칼륨은 철과 관련이 없습니다.
다른 사람들은 지구 진화의 초기, 녹은 단계에서 빠진 칼륨이 사라 졌다고 주장했다.
Lee와 Jeanloz는 칼륨이 철에 용해되어 합금을 형성 할 수 있음을 증명함으로써 누락 된 칼륨에 대한 설명을 제공합니다.
"초기 역사상, 내부 온도와 압력은이 합금을 만들기에 충분히 높지 않았습니다." "그러나 점점 더 많은 운석이 쌓이면 압력과 온도가이 합금이 형성 될 수있는 지점까지 증가했을 것입니다."
이 고압 합금의 존재는 1970 년대 중반 Bukowinski에 의해 예측되었습니다. 그는 양자 역학적 논증을 사용하여 고압이 칼륨의 고독한 외부 전자를 더 낮은 껍질로 짜서 원자가 철과 비슷 해져 철과 합금을 만들 가능성이 높다고 제안했다.
Universit? Bayreuth의 Bayerisches Geoinstit? t에서 Gerd Steinle-Neumann과 함께 개선 된 기술을 사용한 최근의 양자 역학적 계산은 새로운 실험 측정을 확인했습니다.
Jeanloz는“이것은 26 년 전의 초기 계산을 실제로 복제하고 검증하며 실험 결과에 대한 물리적 설명을 제공합니다.
지구는 초기 태양계에서 직경이 수백 킬로미터에 이르는 많은 암석 소행성의 충돌로 형성된 것으로 생각됩니다. 지구-지구가 점차 커지면서 소행성 충돌과 중력 붕괴로 지구가 녹아있었습니다. 더 무거운 요소? 특히 철 – 철에 결합하는 다른 원소를 가지고 천만 ~ 1 억 년 안에 핵심에 가라 앉았을 것입니다.
그러나 점차적으로 지구는 식었을 것이고 칼륨 -40, 우라늄 -238 및 토륨 -232와 같은 방사성 원소의 붕괴에 의한 열의 지속적인 방출이 아니라면 코어에서 차가운 철 공으로 죽은 암석 지구가 될 것입니다. 반감기는 각각 1,250 억, 40 억, 140 억 년입니다. 칼륨 원자 1,000 개당 약 1 개가 방사성입니다.
핵에서 발생하는 열은 철을 컨벡션 다이너 모 (convecting dynamo)로 바꾸어 태양풍으로부터 지구를 보호하기에 충분한 자기장을 유지합니다. 이 열은 맨틀로 새어 나와 암석에서 대류를 일으켜 지각판을 움직이고 화산에 연료를 공급합니다.
공지 된 농도의 방사성 동위 원소와 코어에서 발생 된 열의 균형을 맞추는 것은 어려웠으며, 누락 된 칼륨은 문제의 큰 부분이었다. 한 연구원은 올해 초 황이 칼륨이 철과 결합하는 데 도움이되고 칼륨이 핵에 도달 할 수있는 수단을 제공 할 수 있다고 제안했다.
Lee와 Jeanloz의 실험은 황이 필요하지 않다는 것을 보여줍니다. Lee는 다이아몬드 모루 셀에서 순수한 철과 순수한 칼륨을 결합하고 작은 샘플을 26 기가 파스칼의 압력으로 압착하면서 샘플을 2,500Kelvin (4,000도 화씨) 이상의 레이저로 가열하면서 칼륨과 철의 녹는 점보다 높았습니다. 그녀는 샘플 내부 구조의 X- 선 회절 이미지를 얻기 위해 로렌스 버클리 국립 연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory)의 고급 광원과 스탠포드 싱크로트론 방사선 연구소 (Stanford Synchrotron Radiation Laboratory)의 두 가지 가속기의 고강도 X- 선 빔에서이 실험을 6 번 수행했습니다. 이미지는 철과 탄소가 강철 합금을 형성하는 것과 마찬가지로 칼륨과 철이 균일하게 혼합되어 합금을 형성했음을 확인했다.
원자로의 이론적 마그마 바다에서 400-1,000 킬로미터 (270-670 마일) 깊이의 압력은 15에서 35 기가 파스칼 사이이며 온도는 2,200-3,000Kelvin 일 것이라고 Jeanloz는 말했다.
Jeanloz는“이러한 온도와 압력에서 기본 물리학이 변화하고 전자 밀도가 변화하여 칼륨을 철처럼 보이게합니다. "고압에서 주기율표는 완전히 다르게 보입니다."
Bukowinski는“Lee and Jeanloz의 연구는 고압에서 철에 칼륨이 실제로 혼화 될 수 있다는 첫 번째 증거를 제공하며, 아마도 원래의 예측에 기초한 계산 물리학을 더욱 입증하는 것”이라고 Bukowinski는 말했다. “핵산 형성 과정을 대표하는 조건 인 규산염 광물 존재 하에서 칼륨이 철에 상당한 양으로 철에 들어간다는 것이 추가로 입증 될 수 있다면, 칼륨은 왜 지구의 내부 핵이 얼지 않았는지 설명하는 데 필요한 추가 열을 제공 할 수 있습니다 코어의 열 히스토리가 제안한 것만 큼 큰 크기입니다.”
Jeanloz는 이론적 계산이 이제 고압에서 실험 결과를 설명 할뿐만 아니라 구조를 예측한다는 사실에 흥분합니다.
그는“실험 후에 결과를 확인하는 것뿐만 아니라 흥미로운 문제를 식별하기 위해 이론가들이 필요하다”고 말했다. “지금 일어나고 있습니다. 지난 반년 동안, 이론가들은 실험자들이 몇 년을 보여주기 위해 기꺼이 소비 할 것이라는 예측을 해왔다”고 말했다.
이 작업은 국가 과학 재단과 에너지 부에서 자금을 지원 받았다.
원본 출처 : University of Berkeley News Release
