早期的地球下过铁雨?

文章作者:lili | 2016-11-14
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小时候不想上晚自习,但凡天气不好的时候,我们就会欢呼雀跃。结果有次雨不大,很多人都没去。老师非常生气,说:“你们这群懒鬼,这么点雨就不来了。以后不管多大的雨都要给我来上晚自习,下钉子也给我来!”下钉子!我一直在幻想是个什么样的情形,似乎不可能实现。不过,美国Z机器的数据支持显示,地球早期下过铁雨。关于铁雨,我不禁想到美国电影《分歧者3》下红色雨的情景。

新的Z机器数据支持早期的地球下过铁雨

桑迪亚国家实验室Z机器是地球上最强大的电能脉冲生产者。Credit: Randy Montoya

桑迪亚国家实验室Z机器的研究者已经帮助解开了一个由来已久天体物理学的谜团:为什么铁被发现溅在整个地球的地幔,地球核心和地壳之间大约2000英里厚的区域。

乍一看,似乎铁来自地球和行星状物------直径从几米到数百公里之间的碰撞更合理------在地球的后期形成阶段应该有有动力的子弹一样的直接到地球的核心的,在那里已经存在很多铁。

第二,相关的奥秘在于为什么月亮比例上在其地幔中的铁量比地球的少很多。因为月亮如它的大邻居一样将经历过相同的外星轰炸,什么能够解释月球的地幔中该元素的相对缺乏呢?

要回答这些问题,哈佛大学的教授斯坦·雅可布森戴维司加州大学分校(UC Davis)教授莎拉·斯图尔特领导的科学家们想知道是否接受的铁在高压下的汽化点的理论值是正确的。如果汽化发生在比假设的更低的压力下,冲击后的一块固体铁可能被分散成铁蒸气将覆盖地球的形成而不是冲过它。由此产生的富铁雨将创造目前在地幔中发现的这个元素的口袋。

至于月亮,相同的铁溶解变成蒸气可以发生,但这个卫星的更弱引力将无法捕获大量的自由浮动的铁原子,解释着沉积在地球最近的邻居上的铁的缺乏。

寻找实验的而不是理论值,研究人员转向桑迪亚Z机器和它的基本科学程序,由桑迪亚经理托玛思·马特森协调。这导致桑迪亚、哈佛大学、戴维思加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL之间的协作来确定将取代使用了几十年的铁的汽化阈值的理论值的实验值。

LLNL(以前在哈佛大学)的瑞克•克劳斯桑迪亚研究人员雷•勒姆克赛斯•路特使用Z来加速金属用高磁场达到极限速度。研究人员创造了一个由5毫米宽200微米厚的方形铁组成的靶的板,对这个靶的他们发动了一个高达每秒25公里的铝飞片。在这个冲击压力下,在铁中创造的强大冲击波导致它压缩、加热和------在铁的另一面反射的波造成的零压力中------汽化。

这个研究结果发表在32日的自然地球科学杂志"行星形成后期阶段中的行星状物内核的冲击汽化"标题下,证明实验上需汽化铁的冲击压力约是507吉帕(gigapascals :GPa,削掉了以前理论估计887吉帕40%。天体物理学家说,这个更低的压力在行星成长的结束阶段很容易通过吸积取得的。

首席研究员克劳斯说,"因为行星科学家们总是认为铁很难汽化,他们从来没有想到汽化在形成地球和它的核阶段为一个重要的过程。但用我们的实验,我们表明它是很容易冲击汽化铁的"

他继续说,"这改变了我们行星形成的思维的方式,不是通过铁下沉来日益成长地球的大泡泡核的发生形成地核的(技术上称为刺穿(diapirs)),而是铁被汽化成羽流在地球表面蔓延,并下成小水滴的雨。小的铁水滴容易与地幔混合,这个改变我们到目前为止的地球核心形成的地球化学数据的解释"

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