Νέες αποκαλύψεις για τον πλανήτη κάτω από τα πόδια μας

Πηγή: Carnegie Institution, 21 Ιουλίου 2005

Μια από τις πιo μυστήριες θέσεις στο ηλιακό μας σύστημα είναι αυτή που βρίσκεται κάτω από τα πόδια μας: στο εσωτερικό της Γης. Δεδομένου ότι είναι αδύνατο να τρυπήσει κάποιος με τρυπάνι περισσότερο από μερικά χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της Γης, οι επιστήμονες μελετούν πώς τα ηχητικά κύματα από τους σεισμούς ταξιδεύουν σε όλο τον πλανήτη και πώς ανακλώνται. Αυτά τα ηχητικά κύματα πάντα ενεργούν διαφορετικά από ότι προβλέπουν οι προσομοιώσεις. Όμως τώρα οι επιστήμονες νομίζουν ότι ο σίδηρος, που συντρίβεται κάτω από τεράστια πίεση, μπορεί να αλλάξει σημαντικά την ταχύτητα και την κατεύθυνση αυτών των ηχητικών κυμάτων.

Καλλιτεχνική απεικόνιση των εσωτερικών στρωμάτων της Γης

Πρόσφατα, οι σεισμολόγοι παρατήρησαν ότι η ταχύτητα και η κατεύθυνση των σεισμικών κυμάτων στο χαμηλότερο μανδύα της Γης, μεταξύ 650 και 3.000 χιλιομέτρων κάτω από την επιφάνεια, μεταβάλλονται αρκετά. "Νομίζω ότι μπορεί να ανακαλύψαμε γιατί τα σεισμικά κύματα ταξιδεύουν τόσο αντιφατικά εκεί κάτω", δήλωσε ο Jung-Fu Lin του Geophysical Laboratory Carnegie Institution και επικεφαλής της έρευνας, που δημοσιεύθηκε στο Nature.

"Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες απλοποιούσαν τα αποτελέσματα του σιδήρου στα υλικά του μανδύα. Είναι το αφθονότερο μέταλλο μετάβασης στον πλανήτη και τα αποτελέσματά μας δεν είναι ακριβώς ότι οι επιστήμονες έχουν μέχρι τώρα προβλέψει", συνέχισε. "Μπορεί να πρέπει να επανεξετάσουμε ό,τι νομίζουμε ότι συμβαίνει σε αυτή την κρυμμένη ζώνη. Είναι πιο σύνθετη από όσο φανταστήκαμε".

Οι πιέσεις λόγω σύνθλιψης στο χαμηλότερο μανδύα συμπιέζουν τα άτομα και τα ηλεκτρόνια πλησιάζοντας τόσο πολύ, αλληλεπιδρούν διαφορετικά από ό,τι συμβαίνει κάτω από κανονικές συνθήκες, αναγκάζοντας ακόμη και τα σπιν των ηλεκτρονίων να κάνουν ζεύγη στις τροχιές τους. Η ομάδα του Lin εκτέλεσε πειράματα υπερβολικής πίεσης στο πιο άφθονο οξείδιο που υπάρχει εκεί κάτω, με μαγνήσιο και σίδηρο (μαγνησιοβοστίτης) και διαπίστωσε ότι οι μεταβαλλόμενες καταστάσεις του spin των ηλεκτρονίων του σιδήρου στο μετάλλευμα έχουν μεγάλες επιπτώσεις στην ελαστική ιδιότητα του μεταλλεύματος. Η έρευνα αυτή μπορεί να εξηγήσει τις σύνθετες σεισμικές ανωμαλίες των κυμάτων που παρατηρούνται στο χαμηλότερο μανδύα.

Ο Viktor Struzhkin ένας από τους συντάκτες της μελέτης συμπληρώνει: "Είναι η πρώτη μελέτη που αποδεικνύει πειραματικά ότι η ελαστικότητα του μαγνησιοβοστίτη αλλάζει σημαντικά κάτω από τις πιέσεις του χαμηλού μανδύα, που κυμαίνονται από 500.000 έως 1 εκατομμύριο φορές την ατμοσφαιρική πίεση (1 ατμόσφαιρα). Ο μαγνησιοβοστίτης, περιέχει οξείδιο σιδήρου 20% και οξείδιο του μαγνησίου κατά 80%, αποτελεί κατά προσέγγιση το 20% του χαμηλότερου μανδύα κατ' όγκον. Διαπιστώσαμε ότι όταν υποβάλλεται σε πιέσεις μεταξύ 530.000 και 660.000 ατμοσφαιρών τα σπιν των ηλεκτρονίων του σιδήρου άλλαξαν από μια κατάσταση υψηλού σπιν (ηλεκτρόνια με παράλληλα σπιν ή μονήρη) σε μια κατάσταση χαμηλού σπιν (ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα σπιν ή σε ζεύγη). Ενώ παρακολουθήσαμε την κατάσταση του σπιν του σιδήρου, μετρήσαμε επίσης και τον ρυθμό της μεταβολής στον όγκο (την πυκνότητα) του μαγνησιοβοστίτη μέσω της ηλεκτρονικής μετάβασης. Αυτές οι πληροφορίες μας βοήθησαν να καθορίσουμε πώς οι σεισμικές ταχύτητες θα μεταβάλλονταν κατά μήκος της μετάβασης".

"Έτσι, ανακαλύψαμε ότι τα πυκνά σεισμικά κύματα ταξιδεύουν 15% γρηγορότερα μόλις τα ηλεκτρόνια του σιδήρου ζευγαρώσουν τα σπιν τους στο οξείδιο του μαγνησίου-σιδήρου", σχολίασε ένας άλλος συντάκτης της έκθεσης Steven Jacobsen. "Το μετρούμενο  άλμα της ταχύτητας κατά μήκος της μετάβασης, επομένως, μπορεί να είναι ανιχνεύσιμο σεισμικά στο βαθύ μανδύα".

Τα πειράματα της πίεσης πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια διαμαντιών και μιας έντονης πηγής ακτίνων-X στο Argonne National Laboratory κοντά στο Σικάγο.

"Η μυστήρια χαμηλότερη περιοχή του μανδύα δεν μπορεί να ελεγχθεί άμεσα. Έτσι πρέπει να στηριχθούμε στον πειραματισμό και τη θεωρία. Δεδομένου πως ό,τι συμβαίνει στο εσωτερικό της Γης έχει επιπτώσεις στη δυναμική ολόκληρου του πλανήτη, είναι σημαντικό για μας να ανακαλύψουμε τι προκαλεί την ασυνήθιστη συμπεριφορά των σεισμικών κυμάτων σε αυτή την περιοχή", δηλώνει ο Lin. "Μέχρι τώρα, οι γεωλόγοι έχουν κατανοήσει το εσωτερικό της Γης εξετάζοντας μόνο τα καθαρά οξείδια και τα πυριτικά άλατα. Τα αποτελέσματά μας επισημαίνουν απλά ότι ο σίδηρος, το αφθονότερο μέταλλο μετάβασης σε όλη τη Γη, προκαλεί πολύ σύνθετες ιδιότητες σε εκείνη την περιοχή κάτω από τη Γη. Αναμένουμε με ενδιαφέρον τα επόμενα πειράματά μας για να δούμε εάν μπορούμε να κατανοήσουμε αυτό που συμβαίνει εκεί κάτω", ολοκληρώνει.