Credito d'immagine: NASA
I geologi dell'Università di Berkeley credono che il potassio radioattivo potrebbe essere una fonte sostanziale di calore nel nucleo della Terra. Tuttavia, i geologi hanno scoperto che il potassio può formare una lega pesante con ferro ad alte temperature e pressioni, quindi potrebbe essere appena sprofondato nel mezzo della Terra e potrebbe formare una minuscola componente del nucleo, ma un quinto del suo calore.
Il potassio radioattivo, abbastanza comune sulla Terra da rendere le banane ricche di potassio uno degli alimenti più "caldi" in circolazione, sembra anche essere una fonte sostanziale di calore nel cuore della Terra, secondo recenti esperimenti dell'Università della California, Berkeley, geofisici.
Il potassio radioattivo, l'uranio e il torio sono ritenuti le tre principali fonti di calore all'interno della Terra, a parte quella generata dalla formazione del pianeta. Insieme, il calore mantiene il mantello che agita attivamente e il nucleo genera un campo magnetico protettivo.
Ma i geofisici hanno trovato molto meno potassio nella crosta e nel mantello della Terra di quanto ci si aspetterebbe in base alla composizione delle meteore rocciose che presumibilmente hanno formato la Terra. Se, come alcuni hanno proposto, il potassio mancante risiede nel nucleo di ferro della Terra, come ha fatto un elemento leggero come il potassio ad arrivare lì, specialmente dal momento che ferro e potassio non si mescolano?
Kanani Lee, che ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca. di UC Berkeley e UC Berkeley professore di scienze della terra e del pianeta Raymond Jeanloz hanno scoperto una possibile risposta. Hanno dimostrato che alle alte pressioni e temperature all'interno della Terra, il potassio può formare una lega con ferro mai osservato prima. Durante la formazione del pianeta, questa lega di potassio e ferro potrebbe essere affondata nel nocciolo, esaurendo il potassio nel mantello e nella crosta sovrastanti e fornendo una fonte di calore radioattivo di potassio in aggiunta a quella fornita dall'uranio e dal torio nel nucleo.
Lee ha creato la nuova lega schiacciando ferro e potassio tra le punte di due diamanti a temperature e pressioni caratteristiche di 600-700 chilometri sotto la superficie - 2.500 gradi Celsius e quasi 4 milioni di libbre per pollice quadrato, o un quarto di milione di volte atmosferiche pressione.
"Le nostre nuove scoperte indicano che il nucleo può contenere fino a 1.200 parti per milione di potassio, appena oltre il decimo dell'uno percento", ha detto Lee. "Questa quantità può sembrare piccola ed è paragonabile alla concentrazione di potassio radioattivo naturalmente presente nelle banane. Combinati su tutta la massa del nucleo terrestre, tuttavia, può essere sufficiente a fornire un quinto del calore emesso dalla Terra. "
Lee e Jeanloz riferiranno i loro risultati il 10 dicembre, durante la riunione dell'American Geophysical Union a San Francisco, e in un articolo accettato per la pubblicazione in Geophysical Research Letters.
"Con un esperimento, Lee e Jeanloz hanno dimostrato che il potassio può essere una fonte di calore importante per la geodynamo, ha fornito una via d'uscita da alcuni aspetti fastidiosi dell'evoluzione termica del nucleo e ha inoltre dimostrato che la moderna fisica minerale computazionale non solo completa il lavoro sperimentale, ma che può fornire indicazioni per fruttuose esplorazioni sperimentali ", ha affermato Mark Bukowinski, professore di scienze della terra e del pianeta presso l'UC Berkeley, che predisse l'insolita lega a metà degli anni '70.
Il geofisico Bruce Buffett dell'Università di Chicago avverte che sono necessari ulteriori esperimenti per dimostrare che il ferro può effettivamente estrarre il potassio dalle rocce di silicato che dominano nel mantello terrestre.
"Hanno dimostrato che sarebbe possibile dissolvere il potassio in ferro liquido", ha detto Buffet. “I modellisti hanno bisogno di calore, quindi questa è una fonte, perché l'isotopo radiogenico del potassio può produrre calore e può aiutare a favorire la convezione nel nucleo e guidare il campo magnetico. Hanno dimostrato che potrebbe entrare. L'importante è quanto viene estratto dal silicato. C'è ancora del lavoro da fare "
Se una quantità significativa di potassio risieda nel nucleo della Terra, questo chiarirebbe una domanda persistente: perché il rapporto tra potassio e uranio nei meteoriti pietrosi (condriti), che presumibilmente si sono coalizzati per formare la Terra, è otto volte maggiore di quello osservato rapporto nella crosta terrestre. Sebbene alcuni geologi abbiano affermato che il potassio mancante risiede nel nocciolo, non esisteva alcun meccanismo attraverso il quale avrebbe potuto raggiungere il nocciolo. Altri elementi come ossigeno e carbonio formano composti o leghe con ferro e presumibilmente sono stati trascinati giù dal ferro mentre affondava nel nocciolo. Ma a temperatura e pressione normali, il potassio non si associa al ferro.
Altri hanno sostenuto che il potassio mancante è bollito via durante la fase iniziale e fusa dell'evoluzione della Terra.
La dimostrazione di Lee e Jeanloz che il potassio può dissolversi nel ferro per formare una lega fornisce una spiegazione per il potassio mancante.
"All'inizio della storia della Terra, la temperatura interna e la pressione non sarebbero state abbastanza alte da produrre questa lega", ha detto Lee. "Ma man mano che si accumulavano sempre più meteoriti, la pressione e la temperatura sarebbero aumentate al punto da formare questa lega."
L'esistenza di questa lega ad alta pressione fu predetta da Bukowinski a metà degli anni '70. Usando argomentazioni meccaniche quantistiche, suggerì che l'alta pressione avrebbe spremuto l'elettrone esterno solitario del potassio in un guscio inferiore, rendendo l'atomo simile al ferro e quindi più probabile che si legasse con il ferro.
Calcoli di meccanica quantistica più recenti che utilizzano tecniche migliorate, condotti con Gerd Steinle-Neumann all'Universit? T Bayerisches Geoinstit? T di Bayreuth, hanno confermato le nuove misurazioni sperimentali.
"Questo replica e verifica veramente i calcoli precedenti 26 anni fa e fornisce una spiegazione fisica per i nostri risultati sperimentali", ha detto Jeanloz.
Si pensa che la Terra si sia formata dalla collisione di molti asteroidi rocciosi, forse di centinaia di chilometri di diametro, nel primo sistema solare. Man mano che la proto-Terra si espandeva gradualmente, le continue collisioni di asteroidi e il collasso gravitazionale mantenevano il pianeta fuso. Elementi più pesanti? in particolare il ferro - sarebbe affondato nel nocciolo tra 10 e 100 milioni di anni, portando con sé altri elementi che si legano al ferro.
A poco a poco, tuttavia, la Terra si sarebbe raffreddata e sarebbe diventata un globo roccioso morto con una fredda palla di ferro al centro se non per il continuo rilascio di calore da parte del decadimento di elementi radioattivi come potassio-40, uranio-238 e torio-232 , che hanno emivite rispettivamente di 1,25 miliardi, 4 miliardi e 14 miliardi di anni. Circa uno su mille atomi di potassio è radioattivo.
Il calore generato nel nucleo trasforma il ferro in una dinamo convettiva che mantiene un campo magnetico abbastanza forte da proteggere il pianeta dal vento solare. Questo calore fuoriesce nel mantello, provocando la convezione nella roccia che muove le placche crostali e alimenta i vulcani.
Tuttavia, è stato difficile bilanciare il calore generato nel nucleo con le concentrazioni note di isotopi radiogenici e il potassio mancante è stato una grande parte del problema. Uno dei ricercatori ha proposto all'inizio di quest'anno che lo zolfo potrebbe aiutare il potassio ad associarsi al ferro e fornire un mezzo attraverso il quale il potassio potrebbe raggiungere il nucleo.
L'esperimento di Lee e Jeanloz mostra che lo zolfo non è necessario. Lee ha combinato ferro puro e potassio puro in una cella di incudine di diamante e ha schiacciato il piccolo campione a 26 gigapascal di pressione mentre riscaldava il campione con un laser sopra i 2.500 Kelvin (4.000 gradi Fahrenheit), che è al di sopra dei punti di fusione di potassio e ferro. Ha condotto questo esperimento sei volte nei raggi X ad alta intensità di due diversi acceleratori - Advanced Light Source di Lawrence Berkeley National Laboratory e Stanford Synchrotron Radiation Laboratory - per ottenere immagini di diffrazione dei raggi X della struttura interna dei campioni. Le immagini hanno confermato che il potassio e il ferro si erano mescolati uniformemente per formare una lega, proprio come il ferro e la miscela di carbonio per formare la lega d'acciaio.
Nel teorico oceano magmatico di una proto-Terra, la pressione a una profondità di 400-1000 chilometri (270-670 miglia) sarebbe compresa tra 15 e 35 gigapascali e la temperatura sarebbe di 2.200-3.000 Kelvin, ha detto Jeanloz.
"A queste temperature e pressioni, la fisica sottostante cambia e la densità dell'elettrone cambia, facendo sembrare il potassio più simile al ferro", ha detto Jeanloz. "Ad alta pressione, la tavola periodica sembra totalmente diversa."
"Il lavoro di Lee e Jeanloz fornisce la prima prova che il potassio è effettivamente miscibile in ferro ad alte pressioni e, forse in modo altrettanto significativo, conferma ulteriormente la fisica computazionale che sta alla base della previsione originale", ha affermato Bukowinski. "Se si può ulteriormente dimostrare che il potassio entrerebbe nel ferro in quantità significative in presenza di minerali di silicato, condizioni rappresentative di probabili processi di formazione del nucleo, allora il potassio potrebbe fornire il calore aggiuntivo necessario per spiegare perché il nucleo interno della Terra non si è congelato grande quanto la storia termica del nucleo suggerisce che dovrebbe ".
Jeanloz è entusiasta del fatto che i calcoli teorici ora non solo spiegano i risultati sperimentali ad alta pressione, ma predicono anche le strutture.
"Abbiamo bisogno di teorici per identificare problemi interessanti, non solo per controllare i nostri risultati dopo l'esperimento", ha detto. "Sta succedendo ora. Negli ultimi mezza dozzina di anni, i teorici hanno fatto previsioni che gli sperimentatori sono disposti a dedicare qualche anno per dimostrare. "
Il lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia.
Fonte originale: Comunicato stampa dell'Università di Berkeley
