Vítejte v jemném, specializovaném a někdy výbušném světě hyperbarického výzkumu.
Drcení a odstřelování vzorků v laboratoři pomáhá vědcům dívat se dovnitř a vytváří podmínky pro nepřístupné hluboké části planety. Tato práce je klíčem ke zkoumání některých nejhlubších otázek o naší existenci: Co dělá Zemi obyvatelnou? Jak vznikl život? A jak by dnes geologické procesy, kterým stále ještě plně nerozumíme, mohly udržet život?
V posledních letech se těžiště oboru také posunulo směrem ven, směrem Tisíce planet Je známo, že obíhá jiné hvězdy. Astronomové nám ukázali, že naše galaxie je domovem zoologické zahrady vodní světyA super-Země a horký Jupiter a Neptunea někteří nabízejí vzrušující rady, že by mohli být schopni podpořit život. Protože nemůžeme tyto planety navštívit, natož prozkoumat jejich hluboká nitra, další nejlepší věcí je pokusit se je vyrobit v laboratoři.
„Až dosud v komunitě vědců o Zemi bylo naším primárním cílem vysvětlit naši existenci,“ řekl Dan Shim, mineralog z Arizona State University, jehož laboratoř pracuje na vytvoření miniaturních planetárních vnitřností. Ale teď s [discovery of] Exoplanety, máme nové otázky.“
Aby pomohly podpořit tyto průzkumy, Spojené státy se chystají získat svůj první skutečně „velký lis“ – dvoupatrový drtič, o kterém vědci snili před deseti lety, poháněný hydraulickým lisem, který může vyvinout 6000 tun síly. Nástroj nazvaný Ichiban umožní vědcům mačkat ve velkém větší vzorky, což zlepšuje naše chápání toho, co se děje s materiály za extrémních podmínek.
Je součástí souboru 13,7 milionu $, národně financovaný nástrojpojmenovaný Napájeníkterý bude obsahovat sadu nástrojů s novými možnostmi komprese, komprese a rolování.
„Nacházíme se ve vzrušující době. Naše nevědomost je stále tak hluboká, že si klademe opravdu zásadní otázky,“ řekl Joseph O’Rourke, planetární vědec z Arizonské státní univerzity.
O’Rourke neprovádí vysokotlaké experimenty, ale bere výsledky a začleňuje je do modelů, aby lépe pochopil, jak se planety formují a vyvíjejí. Někdy tyto modely poskytují mimořádné možnosti. Poukázal na nedávné sympozium, kde kolega představil model vnitřku cizí planety vyrobený z Míle a míle diamantů.
„Můžete vytvořit všechny tyto modely a tyto věci jsou technicky myslitelné podle fyziky a chemie,“ řekl O’Rourke. „Čeká nás obrovské množství práce se sběrem dat, abychom zjistili, zda jsou naše příběhy sci-fi nebo vědecká skutečnost.“
Vnitřní život planet je ukázán úhledně a jednoduše v učebnicových ilustracích. Vrstvy Země – pevné vnitřní jádro, roztavené vnější jádro, plášť, kůra – vypadají soustředně, barevně odlišené a symetrické, jako bonbónek.
Ale ve skutečnosti jsou věci mnohem složitější.
Měřením toho, jak se seismické vlny ze zemětřesení pohybují po planetě, geologové mapovali teplotu, tlak a vlastnosti hornin nebo tekutin uvnitř, což jim umožňuje dešifrovat strukturální rysy v útrobách planety, jako je lékař, který čte ultrazvuk. Tyto mapy stále častěji ukazují, že překrývající se vrstvy planety jsou nepravidelné, někdy hornaté a vysoce dynamické.
„Na základně pláště, kde se plášť a jádro spojují, je náznak něčeho opravdu zajímavého, co se tam děje,“ řekl David Lambert, programový důstojník z National Science Foundation.
Pochopení anatomie nitra Země je zásadním krokem k pochopení toho, proč je vnější povrch tak obyvatelný. A hodně z toho se vrací k základní chemii.
Pevné vnitřní jádro Země roste, jak roztavený materiál kolem něj tuhne, přičemž se uvolňují lehčí prvky v procesu, který přivádí turbulentní konvekci do vnějšího jádra. To zase vytváří magnetické pole Životní štíty škodlivému kosmickému záření a brání slunci vychylovat naši atmosféru. Teplo také putuje z kapalného vnějšího jádra do pláště a pomáhá řídit tektonickou aktivitu, která způsobuje zemětřesení a sopky, které uvolňují plyny a prach, které mohou změnit klima.
„Motor, který udržuje naše magnetické pole, může záviset na chemickém chování kyslíku nebo síry obsažené ve vnějším železném jádru Země,“ řekl Quentin Williams, planetární vědec z University of California, Santa Cruz.
Nedávná vrtná expedice vzrušila vědce, když vytáhla ze dna oceánu nezvykle blízké horniny pláště. Ale vzdálenost od povrchu k jádru je asi tak dlouhá jako z Washingtonu, D.C., do Phoenixu – Příliš hluboko na kopání.
Aby vědci získali přehled o tom, co se děje hluboko uvnitř, „vaří a vidí“ – oni Vymačkejte a zahřejte různé kombinace chemikálií v laboratoři a pak sledujte, co se vyrábí.
Vědci vědí, které chemické prvky dominují zemským vrstvám, z několika proudů důkazů, včetně měření hustoty planety a složení meteoritů, které jsou planetárním úlomkem. Stavební bloky, části útrob Země které se dostávají na povrch prostřednictvím sopečných erupcí.
Po celá desetiletí vědci vystavovali tyto komponenty obrovskému teplu a Lisování otáčením šroubů jednoduchého zařízení velikosti dlaně zvané a Diamantová kovadlinová buňka, jedna ze Shimových specialit. Byl vynalezen koncem 50. let 20. století, kdy Správa všeobecných služeb dala vědcům volně k dispozici diamanty zabavené pašerákům.
Dnes je výzkum diamantových kovadlinových buněk tak dobře zavedeným místem, že vědci mohou nakupovat diamanty od výzkumných dodavatelů, místo aby cestovali k manhattanským klenotníkům, jak to dělal Shim na začátku své kariéry.
Výzkumníci potřebují stálý přísun, protože je pod takovým tlakem, že dokonce i diamanty mohou prasknout, což vědci nazývají výbuch. Připadá mi to jako lžička stoupající na sklenku šampaňského, ale skutečný dopad je emocionální dopad vědců, kteří musí své experimenty začít znovu od nuly. Shim má v zadní části své laboratoře dvě krabice rozbitých diamantů, z nichž některé jsou zvláště suvenýry Důležité zkušenosti.
Výzkum diamantových kovadlinových buněk zatím přinesl řadu vzrušujících objevů, které pomohly odhalit barevné vrstvy hlubin Země. Zelený peridot dominuje svrchnímu plášti, ale pod tlakem a vyššími teplotami se přeměňuje na namodralý minerál zvaný wadsleyit a poté na hlubší modrý ringwoodit. druh Perovskitový silikátA Nedávno pojmenovaný Bridgemanetdominuje spodnímu plášti.
Před dvěma desetiletími odhalily experimenty s diamantovými kovadlinami A nová kovová fáze Na neostré hranici mezi jádrem a pláštěm. Tato vrstva fascinuje geology, protože pomáhá při přenosu tepla mezi jádrem a pláštěm a pomáhá pohybovat tektonickými deskami a vulkány.
Experimenty by také mohly nabídnout pohled do útrob mimozemských planet. Jednoho nedávného odpoledne v Shimově laboratoři zkoumal postdoktorand Sibu Chen otázku, proč je Mars tak suchá, neplodná země.
Vlastnosti a minerály nalezené flotilou roverů naznačují, že voda byla na Rudé planetě před miliardami let hojná. Jedním z možných vysvětlení, proč je Mars dnes suchý, je hloubka vod uvnitř planety Zabijte ochranné magnetické pole planety.
Chen stlačil skvrny ringwooditu, minerálu v plášti Marsu, který dokáže zadržet vodu spolu se železem, které dominuje jeho jádru a může se tvořit s vodíkem pod tlakem. Experiment v podstatě připravil soutěž o to, kde voda – nebo její hlavní složka, vodík – skončí pod tlakem a teplem. Přesné pohyby imbusových klíčů přivedly vzorek ke stisknutí Hranice pláště Marsu, asi 200 000krát vyšší než atmosférický tlak Země.
„Jsme připraveni jít kolem,“ řekl Chen, poklepal na laser a sledoval na obrazovce, jak se v ohnisku objevila zářící tečka, jak paprsek ohříval vzorek. Jak teplota stoupala, bod začal blikat.
O několik dní později Chen umístil diamantovou kovadlinovou buňku do speciálního vyloženého pouzdra a cestoval s ní na rentgenový paprsek v Kalifornii, aby prozkoumal strukturu minerálu. Stále analyzuje data, ale pokud experiment ukáže, že vodík je přitahován k železnému jádru, mohlo by to pomoci odhalit, proč magnetické pole Marsu asi před 4 miliardami let vyhaslo. Pokud lehký prvek, jako je vodík, migruje do Tekuté železné jádro, může plavat a vytvářet a stabilní vrstva nahořepřeruší konvekční hybnost, která napájí magnetické pole.
Jakkoli byly tyto experimenty zřejmé, diamantové kovadlinkové buňky měly svá omezení. Za prvé, vzorky musely být mikroskopické, tenčí než lidský vlas. Pro kompresi větších vzorků se vědci obracejí na další zařízení, nazývané multi-kovadlinový lis.
Kurt Linenweber, jeden z vedoucích nového zařízení ASU FORCE, vzpomíná na cestu do Japonska v roce 1989, kdy poprvé použil píst s více kovadlinami, který mohl v laboratoři vytvořit některé z minerálních změn, ke kterým dochází ve nitru Země. .
„Byl jsem tak vzrušený, že jsem nemohl v noci spát,“ vzpomíná. „Jen jsem tam ležel a nemohl jsem přestat myslet na věci, které bys mohl dělat.“
Dnes se v laboratořích po celé zemi používají lisy s více kovadlinami, ale vědci budou moci použít supervelký Ichiban k testování vzorků velikosti tužky a gumy a provádět obtížná měření v menších měřítcích.
řekl Robert C. Lieberman, profesor výzkumu na katedře geověd na Stony Brook University. V oboru pracuje více než čtyři desetiletí a je rád, že se Spojené státy konečně dostávají do velkého tisku a dohánějí Japonsko, Německo a Čínu.
Ale spolehlivě dosáhnout maximálních tlaků v zemském jádru – popř Dokonce i uvnitř velkých planet – vědci potřebují nové nástroje.
„Chování jádra – to je místo, kde jsou experimentální techniky velmi primitivní,“ řekla Alexandra Navrotsky, ředitelka Navrotského Eyringova centra pro materiály vesmíru na Arizonské státní univerzitě.
Vědci se snaží generovat maximální tlaky vystřelováním plynových projektilů nebo pomocí silných laserových pulzů. Výzkumníci mohou získat miliontiny nebo miliardtiny sekundy z dat, ale mohou dostat své vzorky na tlaky podobné těm v zemském jádru – nebo dokonce vyšší. To je zvláště vzrušující pro studium exoplanet, protože některé dosud nalezené cizí světy jsou extrémnější než cokoli jiného v naší sluneční soustavě.
Superzemské planety jsou jednou třídou exoplanet, které spustily a Obyvatelné obočí. Hlavní otázkou je, zda tyto planety mají v sobě vířící tekutá jádra, která generují ochranné magnetické pole, díky čemuž jsou jejich povrchy obyvatelné.
Sally John Tracy z Carnegie Institution for Science ve Washingtonu provádí tyto experimenty ve zlomku sekundy. Jednou z věcí, které na celém poli považuje za nejvíce vzrušující, je to, že experimenty pokrývají různá měřítka času a velikosti, přičemž se zaměřují na miniatury, které vyplňují snímky o velikosti planet.
„Provádíme ultrarychlé experimenty, abychom přemýšleli o historii sluneční soustavy, a pracujeme s velmi malými vzorky… abychom porozuměli rozsáhlým procesům, které ovlivňují vývoj planetárních těles,“ řekl Tracy.
„Tohle mě jen udivuje.“
„Hudební učenec. Spisovatel. Zlý slanina evangelista. Hrdý twitter narkoman. Myslitel. Milovník internetu. Jemně okouzlující hráč.“
