Οι ερευνητές αποδεικνύουν θεωρητικά τη διακοπή σύζευξης ηλεκτρονίων βαθιά στη Γη

Επάνω σειρά: χάρτης τομογραφικού μοντέλου των περιοχών υψηλής ταχύτητας (μπλε) και χαμηλής ταχύτητας (κόκκινο) σε δεδομένο βάθος στο μανδύα. Μέση σειρά: το πρωτότυπο χωρίζεται στις ταχύτερες (αριστερά) και πιο αργές (δεξιά) περιοχές του. Κάτω σειρά: Η διαδικασία διαχωρισμού εφαρμόζεται σε πολλά διαφορετικά μοντέλα CT. Υπολογίζουμε τον αριθμό των μοντέλων που ορίζουν την περιοχή ως γρήγορη ή αργή και που επισημαίνουν περιοχές με σταθερά σεισμικά σήματα. Credit: Grace Shepherd

Οι περισσότεροι από αυτούς κατανοούν ότι τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που περιβάλλουν τους πυρήνες των ατόμων των οποίων η συμπεριφορά διέπει τις χημικές αντιδράσεις. Ωστόσο, δεν είναι κοινώς γνωστό ότι τα ηλεκτρόνια έρχονται σε δύο διαφορετικούς τύπους: προς τα πάνω και προς τα κάτω. Η τάση να ζευγαρώνουν ηλεκτρόνια σπιν προς τα πάνω και προς τα κάτω, σχηματίζοντας «χορευτικούς εταίρους» μεταξύ τους, είναι μια από τις πιο σημαντικές συμπεριφορές που επηρεάζουν τα νέφη ηλεκτρονίων που ελέγχουν τη χημεία της φύσης. Κάτω από πιέσεις όπως αυτές που βρίσκονται στα βάθη της Γης, συμπιέζονται οι τροχιές στις οποίες κινούνται τα ηλεκτρόνια, η «πίστα χορού» αλλάζει. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων μερικές φορές αναγκάζονται να αλλάξουν το μοτίβο χορού τους και τον τρόπο που μοιράζονται το ένα με το άλλο, προκαλώντας αυτό που ονομάζεται “διασταύρωση ηλεκτρονίων spin” (η “διασταύρωση spin” χρησιμοποιείται συχνά ως συντομογραφία).


Μια τέτοια περιστροφή αναμενόταν πάντα να συμβαίνει σε υψηλές πιέσεις από το μέσο μανδύας (περίπου 1.500 km) σε ένα ορυκτό που ονομάζεται σιδηρο-περικλάση, το οποίο πιστεύεται ότι είναι το δεύτερο πιο άφθονο υλικό στη λιθόσφαιρα της Γης. Τέτοιες προβλέψεις τομής σπιν-σκώληκα έχουν επιβεβαιωθεί εκτενώς, τόσο από εργαστηριακά πειράματα υψηλής πίεσης όσο και από υπολογιστικά μοντέλα που βασίζονται στην κβαντική μηχανική. Ωστόσο, τα αναμενόμενα αποτελέσματα αυτής της περιστροφής έχουν ξεφύγει από τη σεισμική ανίχνευση, αφήνοντας τους ερευνητές βαθιά στη Γη να αναρωτιούνται εάν οι προβλέψεις ήταν εσφαλμένες ή εάν οι συνθήκες στον μανδύα εμποδίζουν τη σεισμική έκφραση.

Μια νέα ερευνητική εργασία δημοσιεύτηκε στο Επικοινωνίες για τη φύση Από μια διεθνή ερευνητική ομάδα που περιλαμβάνει τον καθηγητή John W. Hernlund (Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο) του Earth and Life Sciences Institute (ELSI) και την ειδικά διορισμένη Επίκουρη Καθηγήτρια του ELSI, Christine Hauser προτείνει μια μοναδική σεισμολογική υπογραφή αυτής της περιστροφικής διασταύρωσης στο ferropericlase. Η μέθοδος ανακάλυψης της ομάδας βασίζεται στην μεταβαλλόμενη συμπεριφορά της τομής spin των κυμάτων P και S, δύο διαφορετικών τύπων σεισμικών κυμάτων που διαδίδονται μέσω της Γης. Οι σεισμολόγοι χρησιμοποιούν και τα δύο κύματα (που δημιουργούνται από σεισμούς και καταγράφονται σε παγκόσμιους σεισμικούς σταθμούς) για να παράγουν εικόνες διατομής του μανδύα σε μια διαδικασία σχεδόν παρόμοια με την ιατρική CT. Οι εικόνες αποκαλύπτουν υλικό που διαδίδει αυτούς τους δύο τύπους σεισμικών κυμάτων πιο γρήγορα ή πιο αργά από τον μέσο όρο.

Οι γεωφυσικοί ανακαλύπτουν τον χορό των ηλεκτρονίων βαθιά στη Γη, καθώς λαμβάνει χώρα η εξέλιξη

Τα σεισμικά κύματα που δημιουργούνται από τους σεισμούς συγκεντρώνονται για να προσδιοριστεί η ταχύτερη (δηλαδή η πιο κρύα, μπλε) και η πιο αργή (δηλαδή η πιο ζεστή, κόκκινη) ταχύτητα του μανδύα. Η σύγκριση συνεπών αποτελεσμάτων μεταξύ διαφορετικών δεδομένων και τεχνικών αποκαλύπτει ότι πλάκες από πέτρες στο στρώμα ψυχρού ωκεάνιου μανδύα και τεκτονικές πλάκες, διεισδύουν στο μανδύα στις ζώνες βύθισης και βυθίζονται στον βαθύτερο μανδύα. Αυτός ο πρώην ωκεάνιος βράχος θερμαίνεται κοντά στο λιωμένο όριο της επιδημίας και ανεβαίνει ξανά στην επιφάνεια σαν λάμπα λάβας. Credit: Grace Shepherd

Οι σεισμικές εικόνες χαρακτηριστικών υψηλής ταχύτητας κυμάτων που απεικονίζονται στα βάθη του μεσαίου μανδύα δείχνουν ότι τα σήματα του κύματος P των εμφανών σεισμικών ταχυτήτων χαρακτηριστικών είναι σβησμένα σε σύγκριση με τα αντίστοιχα του κύματος S. Όπως αποδεικνύεται, αυτός ο τύπος συμπεριφοράς αναμένεται με ακρίβεια για πετρώματα με λογικές ποσότητες σιδηροπερικλάσης σε συνθήκες μεσαίου μανδύα και προκύπτει από έναν συνδυασμό μείωσης της διασταύρωσης σπιν που προκαλείται από τον όγκο, καθώς και από ένα ευρύτερο εύρος ζώνης πίεσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Ενθαρρυνμένη από αυτή τη δυνητική σύνδεση, η ερευνητική ομάδα υπέθεσε ότι εάν η διασταύρωση σπιν εξηγεί αυτή τη συμπεριφορά σε γρήγορα σεισμικά χαρακτηριστικά στο μεσαίο μανδύα, θα πρέπει επίσης να συμβαίνει για αργά χαρακτηριστικά σε μεγαλύτερα βάθη λόγω των ιδιοτήτων spin-transfer σε υψηλές θερμοκρασίες. Όταν έψαξαν για αυτήν την υπογραφή σε αργά χαρακτηριστικά, βρήκαν και πάλι στοιχεία ασθενέστερων χαρακτηριστικών του κύματος P σε σχέση με τα αντίστοιχα του κύματος S στα μεγαλύτερα βάθη που είχαν προβλέψει.

Στη συνέχεια, η ερευνητική ομάδα έπρεπε να αποκλείσει την πιθανότητα ότι αυτά τα σήματα στις σεισμικές εικόνες των κυμάτων P και S δεν ήταν απλώς αποτέλεσμα αποτελεσμάτων ανάλυσης, όπως διαφορές στη συμπεριφορά αυτών των κυμάτων και στην κατασκευή των αντίστοιχων εικόνων. Χρησιμοποίησαν μια ποικιλία σεισμικών εικόνων που παρήχθησαν από διαφορετικές ερευνητικές ομάδες, κυρίως χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές απεικόνισης, και στη συνέχεια συνέκριναν τα χαρακτηριστικά στα οποία συμφώνησαν όλοι. Αυτή η μέθοδος «χάρτης ψηφοφορίας» πρωτοπαρουσιάστηκε αρχικά από την επικεφαλής συγγραφέα Grace Sheppard στο Πανεπιστήμιο του Όσλο. Όταν υπολόγισαν και κατέγραψαν το προφίλ της αφθονίας των γρήγορων και αργών χαρακτηριστικών του κύματος S και του κύματος P, η σίγαση χαρακτηριστικών στα συμβατά με το σπιν μοντέλα κυμάτων P ήταν κυρίαρχη και ξεκάθαρη.

Οι γεωφυσικοί ανακαλύπτουν τον χορό των ηλεκτρονίων βαθιά στη Γη, καθώς λαμβάνει χώρα η εξέλιξη

Η συγχώνευση ωκεάνιων πλακών σε κρύους, βυθιζόμενους (επάνω) και θερμούς (κάτω) βράχους μανδύα παράγει ένα σταθερό σεισμικό σήμα σε μοντέλα κύματος S, αλλά αυτό το σταθερό σήμα εξαφανίζεται όταν συγκρίνουμε μοντέλα κύματος P. Ορισμένα ορυκτά που φέρουν σίδηρο είναι πιο συμπιεστά κατά τη μεταφορά που επηρεάζει τη συμπιεστή τους ταχύτητα (κύμα P), αλλά όχι τη διατμητική ταχύτητα (κύμα S). Δεδομένου ότι τα μοντέλα του κύματος P είναι συνεπή στο πάνω και το κάτω μέρος του μανδύα, αυτή η εξαφάνιση φαίνεται να περιορίζεται στο μέσο του μανδύα όπου αναμένεται η διασταύρωση σιδήρου περιστροφής. Credit: Grace Shepherd

Όταν ρωτήθηκε ποια από τα αποδεικτικά στοιχεία φαίνεται να παρέχει την ισχυρότερη υποστήριξη για την ανακάλυψη της διασταύρωσης περιστροφής, η συν-συγγραφέας Christine Hauser είπε ότι όλα τα στοιχεία πρέπει να εξεταστούν μαζί. Ο Hauser πρόσθεσε, “Η σχετική σίγαση των σημάτων του κύματος P σε δύο διαφορετικά βάθη για γρήγορες και αργές ανωμαλίες είναι δύσκολο να εξηγηθεί ως αποτέλεσμα σφαλμάτων απεικόνισης. Αν και δεν είναι αδύνατο, θα ήταν μια απίθανη σύμπτωση για μοντέλα που συναρμολογούνται χρησιμοποιώντας διαφορετικά δεδομένα για να εμφανίζουν τα ίδια σεισμικά σήματα.” Συνεχώς σαν μια περιστρεφόμενη διασταύρωση.”

Ενώ η ανίχνευση του σεισμικού σήματος της διασταύρωσης σπιν-σιδήρου αποκαλύπτει περιοχές όπου οι ωκεάνιες πλάκες ανεβαίνουν και βυθίζονται στον βαθύ μανδύα, ένα κραυγαλέο πρόβλημα παραμένει η απουσία του αναμενόμενου σήματος στα σεισμικά χαρακτηριστικά του γήινου μανδύα με παγκόσμιο μέσο όρο. Μέλη της ίδιας ομάδας ανακάλυψαν προηγουμένως ότι αυτό δεν μπορεί να εξηγηθεί με τον υπολογισμό του μέσου όρου για τους ίδιους τύπους υλικών σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Εναλλακτικά, μπορεί να είναι απαραίτητο να γίνουν αλλαγές μεγάλης κλίμακας στη χημική σύνθεση, όπως η ύπαρξη περιοχών στο μεσαίο μανδύα που περιέχουν πετρώματα που περιέχουν λίγο σίδηρο σιδήρου (άρα δεν υπάρχει ορατό σήμα μιας διασταύρωσης περιστροφής).

Μια προηγούμενη μελέτη που περιελάμβανε πολλά μέλη αυτής της ερευνητικής ομάδας πρότεινε την παρουσία τέτοιων χαρακτηριστικών στο μεσαίο μανδύα, τα οποία αγκυρώνουν ένα μοτίβο μεταφοράς βαθιά στον μανδύα της Γης και επιμένουν για δισεκατομμύρια χρόνια λόγω της υψηλής αντοχής τους. Ονόμασαν αυτές τις αρχαίες δομές εμπλουτισμένες με μανδύα ή ΔΕΚΑ (ο μπριτζμανίτης είναι το πιο άφθονο ορυκτό στη Γη και επίσης πιστεύεται ότι είναι το ισχυρότερο) και υπέθεσαν ότι θα μπορούσαν να ασκήσουν θεμελιώδη έλεγχο στο μοτίβο των τεκτονικών κινήσεων των πλακών στην ιστορία της Γης.

Η ανακάλυψη των διασταυρώσεων σπιν στις περιοχές ταχύτερης και πιο αργής κυματικής ταχύτητας στον μανδύα υπογραμμίζει ένα άλλο σημαντικό γεωφυσικό αποτέλεσμα. Οι γρήγορες ζώνες αποτελούνται από μια προηγούμενη κατάδυση ωκεάνιου βράχου μέσα από τον μανδύα στο ταξίδι του προς το όριο του πυρήνα του μανδύα. Αντίθετα, οι πιο αργές περιοχές αποτελούνται από βράχο που θερμαίνεται με την επαφή με τον πυρήνα του λιωμένου σιδήρου και ανεβαίνει στην επιφάνεια σαν μια λάμπα λάβας. Αυτή η διαδικασία μεταφοράς ανακυκλώνει το πέτρωμα μεταξύ της επιφάνειας και του εσωτερικού, ενισχύοντας την κίνηση των τεκτονικών πλακών. Η αναγνώριση της διακριτής σεισμικής υπογραφής της περιστροφικής διασταύρωσης σε ένα σιδηροπερικλάτο στον μανδύα δείχνει ότι η οικοδόμηση μιας γέφυρας μεταξύ της φυσικής των υλικών και της γεωφυσικής είναι κρίσιμη για την κατανόηση του εσωτερικού της Γης και των πλανητών. Η μοναδική σεισμική υπογραφή μάς επιτρέπει να προσδιορίσουμε ποια μέρη του βαθύ μανδύα της Γης περιέχουν περισσότερα ή λιγότερο σιδηρούχα ορυκτά, παράγοντας 4D γεωλογικούς χάρτες και αποκαλύπτοντας την ιστορία της Γης σε όλη την τεράστια έκταση του βαθέος εσωτερικού και του βαθέως χρόνου.


Η κβαντική μετάβαση φάσης ανιχνεύτηκε σε παγκόσμια κλίμακα βαθιά στη Γη


περισσότερες πληροφορίες:
Sheppard et al., Σεισμική έκφραση της διασταύρωσης ανακύκλωσης σιδήρου στο σιδηρομαγνητικό ένζυμο στον κατώτερο μανδύα της Γης, Επικοινωνίες για τη φύση (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z

το απόσπασμα: Ερευνητές αποδεικνύουν τη θεωρία σύνδεσης σύζευξης ηλεκτρονίων στα βάθη της Γης (2021, 30 Νοεμβρίου) Ανακτήθηκε στις 30 Νοεμβρίου 2021 από https://phys.org/news/2021-11-theorized-electron-spin-pairing-crossover-deep . γλώσσα προγραμματισμού

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Η Ρωσία μόλις ξεκίνησε μια νέα επιστημονική ενότητα για τον διαστημικό σταθμό

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *