First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
تستخدم هذه الدراسة حسابات المبادئ الأولية لتوصيف الخصائص الهيكلية والديناميكية والترموديناميكية لسبائك الحديد والكبريت السائلة تحت ظروف اللب الخارجي للأرض، كاشفةً أنه في حين يمكن لتركيزات الكبريت التي تتراوح بين 10.2 و11.4% بالوزن أن تفسر كثافة اللب، إلا أنها تفشل في تفسير سرعة الصوت فيه، مما يشير إلى أن الكبريت وحده لا يمكن أن يكون العنصر الخفيف الوحيد الموجود.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تحت أقدامنا مباشرة، بعيداً عن الرؤية المباشرة، يكمن محيط هائج من المعدن يحرك المجال المغناطيسي للأرض ويشكل حرارة الكوكب الداخلية. هذا هو اللب الخارجي، وهي طبقة من الحديد السائل تمتد من الحدود مع اللب الداخلي الصلب نزولاً إلى الوشاح أعلاه. وبينما لا يمكننا الحفر للوصول إلى هذه المنطقة، يستطيع علماء الزلازل "الاستماع" إلى اهتزازات الأرض أثناء انتقالها عبرها، تماماً كما يستخدم الطبيب الموجات الصوتية لرؤية ما بداخل الجسم. وتكشف هذه القياسات أن اللب السائل أقل كثافة مما قد يكون عليه الحديد النقي عند تلك الأعماق الساحقة، مما يشير إلى أنه مختلط بعناصر أخف. ولعقود من الزمن، ناقش العلماء أي من هذه العناصر الخفيفة — ربما الأكسجين أو السيليكون أو الكبريت — هو المكون الأساسي في هذا الحساء الكوني. إن فهم الوصفة الدقيقة أمر بالغ الأهمية لأن كثافة وسرعة الصوت عبر اللب تخبرنا كيف تولد الأرض درعها المغناطيسي وكيف بردت على مدى مليارات السنين.
لقد توجه فريق من الباحثين الآن إلى المحاكاة الحاسوبية القوية لحل جزء من هذا اللغز، مع التركيز بشكل خاص على الكبريت. وباستخدام طريقة تحسب سلوك الذرات بناءً على القوانين الأساسية للفيزياء، قاموا بنمذجة الحديد السائل المختلط بكميات متفاوتة من الكبريت تحت ظروف الضغط ودرجة الحرارة القصوى الموجودة في اللب الخارجي. وبدلاً من الاعتماد على التجارب الفيزيائية التي يصعب إجراؤها للغاية عند مثل هذه الأعماق، فقد بنوا مختبراً افتراضياً حيث استطاعوا مراقبة كيفية تحرك ذرات الحديد والكبريت، وترابطها، وتفاعلها. وقد اختبروا مخاليط تتراوح من الحديد النقي وصولاً إلى ما يقرب من خمسة عشر بالمائة من الكبريت حسب الوزن، مراقبين كيف تؤثر هذه التغييرات على خصائص المادة.
وكشفت عمليات المحاكاة أنه مع إضافة الكبريت إلى الحديد السائل، تعيد الذرات ترتيب نفسها. فذرات الكبريت، لكونها أصغر وأخف، تشكل روابط أوثق مع الحديد، مما يسحب متوسط المسافة بين الذرات ليجعلها أقرب. وهذا التحول الهيكلي له تأثير واضح على خصائص المادة: تنخفض كثافة الخليط، بينما تزدءد سرعة انتقال الصوت من خلاله. ووجد الباحثون أن الضغط يلعب دوراً أكبر بكثير في تغيير هذه الخصائص من كمية الكبريت، لكن محتوى الكبريت لا يزال يترك بصمة مميزة. ومن خلال مقارنة نتائج المحاكاة مع البيانات الزلزالية الواقعية من لب الأرض، تمكنوا من حصر الكمية المحتملة من الكبريت الموجود.
وتشير الدراسة إلى أنه إذا كان الكبريت هو العنصر الخفيف الوحيد المختلط في اللب، فإنه سيحتاج أن يشكل ما بين عشرة إلى أحد عشر بالمائة تقريباً من السبائك حسب الوزن ليتطابق مع الكثافة المرصودة. وهذا التركيز المحدد يتوافق مع القياسات الزلزالية لكيفية ثقل اللب. ومع ذلك، تظهر مشكلة كبيرة عندما ينظر الباحثون إلى سرعة الصوت؛ فعند نفس تركيز الكبريت هذا، تسير موجات الصوت المحاكية بسرعة كبيرة جداً مقارنة بما يقيسه علماء الزلازل فعلياً في الأرض. وتشير النماذج إلى أنه لكي يتطابق مع سرعة الصوت، يجب أن يحتوي اللب على كمية أقل بكثير من الكبريت، ربما أقل من تسعة بالمائ المئة، ولكن هذه الكمية ستفشل حينئذٍ في تفسير كثافة اللب.
هذا التضارب بين الكثافة وسرعة الصوت يؤدي إلى استنتاج واضح: الكبريت وحده لا يمكنه تفسير تكوين اللب الخارجي للأرض. وتوحي البيانات بأن هناك عنصراً خفيفاً آخر، غير مرئي، يجب أن يكون موجوداً بجانب الكبريت لموازنة المعادلات. إن عمل الباحثين يوفر مرجعاً دقيقاً ومتسقاً ذاتياً لكيفية تصرف الحديد والكبريت معاً تحت هذه الظروف القاسية، مما يشكل أساساً صلباً للدراسات المستقبلية التي ستتطلب على الأرجح تضمين عنصر ثالث أو رابع لحل لغز قلب الأرض بالكامل. وتؤكد نتائجهم أنه بينما يعد الكبريت مرشحاً محتملاً، فإن الوصفة الحقيقية لقلب كوكبنا هي أكثر تعقيداً من مجرد خليط بسيط من مكونين.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.