احتمال وجود اکسیژن در هسته زمین

به گزارش خبرگزاری صداوسیما: اکسیژن و آهن فراوان‌ترین عناصر روی زمین هستند و ترکیبات آن‌ها اجزای اصلی تشکیل دهنده سیاره‌ها هستند. در حالی که اکسیژن در گوشته بیشتر است، وجود آن در هسته داخلی جامد هنوز قابل بحث است.

محققان در این مطالعه به رهبری دکتر "یانگ سان" (Yang Sun) از دانشگاه کلمبیا و دکتر "جین لیو" (Jin Liu) از مرکز تحقیقات پیشرفته علم و فناوری فشار بالا کشف کرده‌اند که آلیاژ‌های اکسیژن-آهن (Fe-O) غنی از آهن در دمای بالای ۳۰۰۰ کلوین و فشار حدود ۳۰۰ گیگا پاسکال پایدار هستند.

یافته‌ها نشان می‌دهد که اکسیژن می‌تواند در هسته داخلی جامد وجود داشته باشد، که این امر محدودیت‌های کلیدی را برای درک بیشتر فرآیند شکل‌گیری و تاریخچه تکامل هسته زمین فراهم می‌کند.

محققان گفتند: از آنجایی که هسته داخلی دور از دسترس انسان است، ما فقط می‌توانیم چگالی و ترکیب شیمیایی آن را از سیگنال‌های لرزه‌ای که زلزله‌ها تولید می‌کنند حدس بزنیم. اگرچه نوع و ترکیب آن‌ها هنوز مورد بحث است، اما اکنون تصور می‌شود که هسته داخلی شامل اجزای سبک است. جزییات ساختار داخلی زمین بر اساس داده‌های کیهانی و ژئوشیمیایی شامل گوگرد، سیلیکون، کربن و هیدروژن پیش‌بینی می‌شود. محاسبات و آزمایش‌ها همچنین از این یافته حمایت کردند که در دمای بالا و فشار‌های زیاد زمین، این عناصر با آهن خالص ترکیب می‌شوند و انواع آلیاژ‌های آهن را ایجاد می‌کنند.

با این حال، اکسیژن معمولا از هسته داخلی حذف می‌شود، زیرا آلیاژ‌های اکسیژن-آهن با ترکیبات غنی از آهن هرگز در سطح زمین یا محیط‌های اطراف گوشته یافت نشده‌اند. تمام اکسید‌های آهن شناخته شده دارای غلظت اکسیژن بیش از یا برابر با ۵۰ درصد اتمی هستند. اگرچه تلاش‌هایی برای ایجاد ترکیبات اکسید آهن با ترکیبات غنی از آهن انجام شده است، اما هنوز چنین موادی کشف نشده است.

در این مطالعه آهن خالص و اکسید آهن در انتهای دو سندان الماس (diamond anvil) قرار داده شد و سپس پرتو لیزر پرانرژی با دما و فشاری نزدیک به هسته زمین به آن‌ها تابیده شد. پس از تلاش‌های متعدد، مشخص شد که بالاتر از دمای ۳۰۰۰ کلوین و فشار ۲۲۰-۲۶۰ گیگا پاسکال، یک واکنش شیمیایی بین آهن و اکسید آهن صورت می‌گیرد. با توجه به داده‌های بلورنگاری پرتوی ایکس، محصول واکنش از ساختار معمولی با دمای بالا و فشار بالای آهن خالص و اکسید آهن متمایز است.

یک جستجوی ساختار بلوری نظری مبتنی بر الگوریتم ژنتیک نشان داده است که آلیاژ اکسیژن-آهن غنی از آهن، ممکن است به طور پیوسته در فشار حدود ۲۰۰ گیگا پاسکال ثابت بماند. آلیاژ‌های جدید اکسیژن-آهن غنی از آهن یک ساختار شش ضلعی ایجاد می‌کنند و لایه‌هایی از اکسیژن در بین لایه‌های آهن برای پشتیبانی از ساختار قرار می‌گیرند. فرآیندی مانند این، بسیاری از ترکیبات اکسیژن-آهن غنی از آهن را با آنتروپی پیکربندی بالا ایجاد می‌کند.

به نقل از وبگاه تی ای، این داده‌های نظری برای شناسایی آرایش اتمی Fe ۲۸ O ۱۴ استفاده شد که با الگوی بلورنگاری پرتوی ایکس ثبت‌شده تجربی نیز مطابقت داشت. محاسبات بیشتر نشان داد که آلیاژ‌های (اکسیژن-آهن) غنی از آهن، فلزی هستند و با اکسید‌های آهن رایج در فشار‌های پایین متضاد هستند. این ساختار الکترونیکی به غلظت اکسیژن و آرایش لایه آهن و اکسیژن بستگی دارد. خواص مکانیکی و خواص حرارتی این آلیاژ، اما نیاز به مطالعه بیشتر در آینده دارد.