First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
Deze studie maakt gebruik van first-principles berekeningen om de structurele, dynamische en thermodynamische eigenschappen van vloeibare Fe-S legeringen onder de omstandigheden van de buitenkern van de aarde te karakteriseren, waarbij wordt onthuld dat hoewel zwavelconcentraties tussen 10,2 en 11,4 gew%-t de dichtheid van de kern kunnen verklaren, zij er niet in slagen de geluidssnelheid te verklaren, wat erop wijst dat zwavel alleen niet het enige aanwezige lichte element kan zijn.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Diep onder onze voeten, verborgen voor het directe zicht, ligt een kolkende oceaan van metaal die het magnetisch veld van de aarde aandrijft en de interne hitte van de planeet vormgeeft. Dit is de buitenkern, een laag vloeibaar ijzer die zich uitstrekt van de grens met de vaste binnenkern tot aan de mantel erboven. Hoewel we niet in deze regio kunnen boren, kunnen seismologen luisteren naar de trillingen van de aarde terwijl ze erdoorheen reizen, net zoals een arts geluidsgolven gebruikt om in een lichaam te kijken. Deze metingen onthullen dat de vloeibare kern minder dicht is dan puur ijzer zou zijn op die verpletterende dieptes, wat suggereert dat het gemengd is met lichtere elementen. Decennialang hebben wetenschappers gedebatteerd over welk van deze lichtere elementen — misschien zuurstof, silicium of zwavel — het belangrijkste ingrediënt is in deze kosmische soep. Het begrijpen van het exacte recept is cruciaal, omdat de dichtheid en de snelheid van het geluid door de kern ons vertellen hoe de aarde haar magnetische schild genereert en hoe deze in miljarden jaren is afgekoeld.
Een team onderzoekers heeft zich nu gericht op krachtige computersimulaties om een stukje van deze puzzel op te lossen, waarbij de focus specifiek ligt op zwavel. Met behulp van een methode die het gedrag van atomen berekent op basis van de fundamentele wetten van de fysica, modelleerden zij vloeibaar ijzer vermengd met variërende hoeveelheden zwavel onder de extreme druk- en temperatuurcondities die in de buitenkern worden aangetroffen. In plaats van te vertrouwen op fysieke experimenten die ongelooflijk moeilijk uit te voeren zijn op zulke dieptes, bouwden zij een virtueel laboratorium waarin ze konden zien hoe ijzer- en zwavelatomen bewegen, binden en interageren. Ze testten mengsels variërend van puur ijzer tot bijna vijftien procent zwavel bij gewicht, waarbij ze observeerden hoe deze veranderingen de eigenschappen van het materiaal beïften.
De simulaties onthulden dat wanneer zwavel aan het vloeibare ijzer wordt toegevoegd, de atomen zichzelf herordenen. De zwavelatomen, die kleiner en lichter zijn, vormen nauwere verbindingen met het ijzer, waardoor de gemiddelde afstand tussen de atomen dichter bij elkaar komt te liggen. Deze structurele verschuiving heeft een duidelijk effect op de eigenschappen van het materiaal: de dichtheid van het mengsel daalt, terwijl de snelheid waarmee geluid erdoorheen reist toeneemt. De onderzoekers ontdekten dat druk een veel grotere rol speelt bij het veranderen van deze eigenschappen dan de hoeveelheid zwavel, maar dat de zwavelconcentratie nog steeds een duidelijke vingerafdruk achterlaat. Door hun gesimuleerde resultaten te vergelijken met de echte seismische gegevens van de aardkern, waren zij in staat om de mogelijke hoeveelheid aanwezige zwavel te verfijnen.
De studie suggereert dat als zwavel het enige lichte element zou zijn dat gemengd is in de kern, het ongeveer tien tot elf procent van de legering bij gewicht zou moeten uitmaken om de geobserveerde dichtheid te evenaren. Deze specifieke concentratie komt overeen met de seismische metingen voor de massa van de kern. Echter, een aanzienlijk probleem doet zich voor wanneer de onderzoekers naar de geluidssnelheid kijken. Bij deze zelfde concentratie van zwavel reizen de gesimuleerde geluidsgolven te snel vergeleken met wat seismologen daadwerkelijk in de aarde meten. De modellen geven aan dat om de geluidssnelheid te matchen, de kern veel minder zwavel zou moeten bevatten, misschien wel minder dan negen procent, maar dat hoeveelheid zou dan weer niet in staat zijn om de dichtheid van de kern te verklaren.
Deze discrepantie tussen de dichtheid en de geluidssnelheid leidt tot een duidelijke conclusie: zwavel alleen kan de samenstelling van de buitenkern van de aarde niet verklaren. De gegevens impliceren dat er een ander, onzichtbaar licht element aanwezig moet zijn naast de zwavel om de vergelijkingen in balans te brengen. Het werk van de onderzoekers biedt een nauwkeurig, zelfconsistent referentiekader voor hoe ijzer en zwavel samen reageren onder deze extreme omstandigheden, en dient als een solide fundament voor toekomstige studies die waarschijnlijk een derde of zelfs vierde element zullen moeten bevatten om het mysterie van het verborgen hart van de aarde volledig te ontrafelen. Hun bevindingen bevestigen dat hoewel zwavel een waarschijnlijke kandidaat is, het ware recept van de kern van onze planeet complexer is dan een eenvoudige mengeling van twee ingrediënten.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.