Kredit gambar: NASA
Ahli geologi di University of Berkeley percaya bahawa kalium radioaktif mungkin merupakan sumber haba yang besar di teras Bumi. Walau bagaimanapun, ahli geologi mendapati bahawa kalium dapat membentuk paduan berat dengan besi di bawah suhu dan tekanan tinggi, jadi mungkin saja tenggelam ke tengah Bumi, dan dapat membentuk komponen inti seminit - tetapi seperlima panasnya.
Kalium radioaktif, cukup umum di Bumi untuk menjadikan pisang kaya kalium sebagai salah satu makanan "terpanas" di sekitar, tampaknya juga menjadi sumber panas yang besar di inti Bumi, menurut eksperimen baru-baru ini oleh University of California, Berkeley, ahli geofizik.
Kalium radioaktif, uranium dan torium dianggap sebagai tiga sumber haba utama di pedalaman Bumi, selain daripada yang dihasilkan oleh pembentukan planet ini. Bersama-sama, panas menjadikan mantel aktif berpusing dan inti menghasilkan medan magnet pelindung.
Tetapi ahli geofizik telah menemukan lebih sedikit kalium di kerak bumi dan mantel daripada yang diharapkan berdasarkan komposisi meteor berbatu yang kononnya membentuk Bumi. Sekiranya, seperti yang dikemukakan oleh beberapa orang, kalium yang hilang berada di inti besi Bumi, bagaimana unsur yang ringan seperti kalium sampai di sana, terutama kerana besi dan kalium tidak bercampur?
Kanani Lee, yang baru memperoleh Ph.D. dari UC Berkeley, dan profesor sains bumi dan planet UC Berkeley Raymond Jeanloz telah menemui kemungkinan jawapan. Mereka telah menunjukkan bahawa pada tekanan dan suhu tinggi di bahagian dalam Bumi, kalium dapat membentuk aloi dengan besi yang belum pernah diperhatikan. Semasa pembentukan planet ini, aloi kalium-besi ini dapat tenggelam ke inti, menghabiskan kalium di mantel dan kerak yang terlalu banyak dan menyediakan sumber panas kalium radioaktif selain yang dibekalkan oleh uranium dan torium di inti.
Lee mencipta aloi baru dengan memerah besi dan kalium antara hujung dua berlian hingga suhu dan ciri khas 600-700 kilometer di bawah permukaan - 2,500 darjah Celsius dan hampir 4 juta pound per inci persegi, atau seperempat juta kali atmosfera tekanan.
"Penemuan baru kami menunjukkan bahawa inti mungkin mengandung sebanyak 1.200 bahagian per juta kalium - tepat lebih dari sepersepuluh satu persen," kata Lee. "Jumlah ini mungkin tampak kecil, dan sebanding dengan kepekatan kalium radioaktif yang terdapat secara semula jadi dalam pisang. Namun, jika digabungkan di seluruh jisim inti Bumi, cukup untuk memberikan seperlima haba yang dikeluarkan oleh Bumi. "
Lee dan Jeanloz akan melaporkan penemuan mereka pada 10 Disember, dalam pertemuan Kesatuan Geofizik Amerika di San Francisco, dan dalam artikel yang diterima untuk diterbitkan dalam Surat Penyelidikan Geofizik.
"Dengan satu eksperimen, Lee dan Jeanloz menunjukkan bahawa kalium mungkin merupakan sumber haba yang penting untuk geodynamo, memberikan jalan keluar dari beberapa aspek yang menyusahkan dari evolusi terma teras, dan selanjutnya menunjukkan bahawa fizik mineral komputasi moden tidak hanya melengkapkan kerja eksperimen, tetapi bahawa ia dapat memberi petunjuk kepada eksplorasi eksperimental yang bermanfaat, ”kata Mark Bukowinski, profesor sains bumi dan planet di UC Berkeley, yang meramalkan paduan yang tidak biasa pada pertengahan 1970-an.
Ahli geofizik Bruce Buffett dari University of Chicago memberi amaran bahawa lebih banyak eksperimen perlu dilakukan untuk menunjukkan bahawa besi sebenarnya dapat menarik kalium dari batu silikat yang mendominasi di mantel Bumi.
"Mereka membuktikan mungkin untuk melarutkan kalium menjadi besi cair," kata Buffet. "Pemodel memerlukan haba, jadi ini adalah salah satu sumber, kerana isotop radiogenik kalium dapat menghasilkan haba dan yang dapat membantu perolakan daya di inti dan mendorong medan magnet. Mereka membuktikan bahawa ia boleh masuk. Yang penting ialah berapa banyak yang dikeluarkan dari silikat. Masih ada kerja yang perlu diselesaikan ”
Sekiranya sejumlah besar kalium berada di inti Bumi, ini akan menghilangkan persoalan yang berlanjutan - mengapa nisbah kalium dan uranium dalam meteorit berbatu (chondrit), yang mungkin bergabung untuk membentuk Bumi, adalah lapan kali lebih besar daripada yang diperhatikan nisbah dalam kerak bumi. Walaupun beberapa ahli geologi menegaskan bahawa kalium yang hilang berada di dalam inti, tidak ada mekanisme yang memungkinkannya mencapai inti. Unsur-unsur lain seperti oksigen dan karbon membentuk sebatian atau aloi dengan besi dan mungkin diseret ke bawah oleh besi ketika ia tenggelam ke inti. Tetapi pada suhu dan tekanan normal, kalium tidak berkait dengan besi.
Yang lain berpendapat bahawa kalium yang hilang itu mendidih pada tahap awal evolusi Bumi yang cair.
Demonstrasi oleh Lee dan Jeanloz bahawa kalium dapat larut dalam besi untuk membentuk aloi memberikan penjelasan untuk kalium yang hilang.
"Pada awal sejarah Bumi, suhu dan tekanan dalaman tidak akan cukup tinggi untuk membuat aloi ini," kata Lee. "Tetapi semakin banyak meteorit menumpuk, tekanan dan suhu akan meningkat ke titik di mana aloi ini dapat terbentuk."
Kewujudan aloi bertekanan tinggi ini diramalkan oleh Bukowinski pada pertengahan tahun 1970-an. Dengan menggunakan argumen mekanikal kuantum, dia mencadangkan bahawa tekanan tinggi akan memencet elektron luar tunggal kalium menjadi cangkang yang lebih rendah, menjadikan atom menyerupai besi dan dengan itu lebih cenderung paduan dengan besi.
Pengiraan mekanikal kuantum yang lebih baru menggunakan teknik yang diperbaiki, dilakukan dengan Gerd Steinle-Neumann di Universit? T Bayreis's Bayerisches Geoinstit? T, mengesahkan pengukuran eksperimen baru.
"Ini benar-benar meniru dan mengesahkan pengiraan sebelumnya 26 tahun yang lalu dan memberikan penjelasan fizikal untuk hasil eksperimen kami," kata Jeanloz.
Bumi dianggap terbentuk dari pelanggaran banyak asteroid berbatu, mungkin berdiameter beratus-ratus kilometer, di sistem suria awal. Sebagai proto-Bumi secara beransur-ansur meningkat, perlanggaran asteroid yang berterusan dan keruntuhan graviti menjadikan planet ini cair. Unsur yang lebih berat? khususnya besi - akan tenggelam ke teras dalam masa 10 hingga 100 juta tahun, membawa unsur-unsur lain yang mengikat besi.
Namun, secara beransur-ansur, Bumi akan menjadi sejuk dan menjadi dunia berbatu yang mati dengan bebola besi dingin di intinya jika tidak kerana pelepasan haba yang berterusan oleh pelanggaran unsur-unsur radioaktif seperti kalium-40, uranium-238 dan torium-232 , yang masing-masing mempunyai jangka hayat 1.25 bilion, 4 bilion dan 14 bilion tahun. Kira-kira satu daripada setiap ribu atom kalium radioaktif.
Haba yang dihasilkan dalam teras menjadikan besi menjadi dinamo penghantar yang mengekalkan medan magnet yang cukup kuat untuk melindungi planet ini dari angin suria. Haba ini keluar ke mantel, menyebabkan perolakan di dalam batu yang menggerakkan plat kerak bumi dan menggegarkan gunung berapi.
Walau bagaimanapun, menyeimbangkan haba yang dihasilkan di teras dengan kepekatan isotop radiogenik yang diketahui sukar, dan kalium yang hilang telah menjadi sebahagian besar masalah. Seorang penyelidik mencadangkan awal tahun ini bahawa sulfur dapat membantu kalium mengaitkan dengan zat besi dan menyediakan cara yang memungkinkan kalium mencapai inti.
Eksperimen oleh Lee dan Jeanloz menunjukkan bahawa sulfur tidak diperlukan. Lee menggabungkan besi tulen dan kalium tulen dalam sel landasan berlian dan menekan sampel kecil hingga 26 gigapascal tekanan sambil memanaskan sampel dengan laser di atas 2.500 Kelvin (4.000 darjah Fahrenheit), yang berada di atas titik lebur kedua kalium dan besi. Dia melakukan eksperimen ini sebanyak enam kali dalam sinar X-intensiti tinggi dari dua pemecut yang berbeza - Sumber Cahaya Lanjutan Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley dan Makmal Sinaran Sinokrotron Stanford - untuk mendapatkan gambar difraksi sinar-X struktur dalaman sampel. Gambar mengesahkan bahawa kalium dan besi bercampur sekata untuk membentuk aloi, sama seperti campuran besi dan karbon untuk membentuk aloi keluli.
Di lautan magma teoretikal proto-Bumi, tekanan pada kedalaman 400-1.000 kilometer (270-670 batu) adalah antara 15 dan 35 gigapascals dan suhu akan menjadi 2.200-3.000 Kelvin, kata Jeanloz.
"Pada suhu dan tekanan ini, perubahan fizik yang mendasari dan pergeseran kepadatan elektron, menjadikan kalium lebih mirip besi," kata Jeanloz. "Pada tekanan tinggi, jadual berkala kelihatan sama sekali berbeza."
"Karya Lee dan Jeanloz memberikan bukti pertama bahawa kalium sememangnya larut dalam besi pada tekanan tinggi dan, mungkin sama pentingnya, ini membuktikan kebenaran fizik komputasi yang mendasari ramalan asal," kata Bukowinski. "Jika dapat dibuktikan lebih lanjut bahawa kalium akan memasuki zat besi dalam jumlah yang banyak dengan adanya mineral silikat, keadaan yang mewakili proses pembentukan inti yang mungkin, maka kalium dapat memberikan haba tambahan yang diperlukan untuk menjelaskan mengapa inti dalam Bumi tidak membeku hingga sama besarnya dengan sejarah terma inti menunjukkan ia seharusnya. "
Jeanloz teruja dengan fakta bahawa pengiraan teoritis sekarang bukan sahaja menjelaskan penemuan eksperimen pada tekanan tinggi, tetapi juga meramalkan struktur.
"Kami memerlukan ahli teori untuk mengenal pasti masalah yang menarik, tidak hanya memeriksa hasil kami setelah eksperimen," katanya. "Itu berlaku sekarang. Dalam setengah lusin tahun yang lalu, ahli teori telah membuat ramalan bahawa eksperimentalis bersedia menghabiskan beberapa tahun untuk menunjukkan. "
Kerja ini dibiayai oleh Yayasan Sains Nasional dan Jabatan Tenaga.
Sumber Asal: Siaran Berita Universiti Berkeley