Diep in een rotsachtige planeet als de aarde heeft het gedrag van ijzer een grote invloed op de eigenschappen van het gesmolten materiaal. Nieuw onderzoek naar de kwantumeigenschappen van elementen in extreme omgevingen heeft belangrijke implicaties voor ons begrip van de geschiedenis van de aarde, het verklaren van unieke seismische activiteit en het bestuderen van exoplaneten om inzicht te krijgen in hun potentieel om leven te ondersteunen.

Diep in een rotsachtige planeet als de aarde heeft het gedrag van ijzer een grote invloed op de eigenschappen van het gesmolten materiaal: eigenschappen die van invloed zijn op de manier waarop de planeet is ontstaan ​​en geëvolueerd. Wetenschappers gebruikten krachtige lasers en ultrasnelle röntgenstralen om de extreme omstandigheden in deze gesmolten materialen, bekend als silicaatsmelten, na te bootsen en de eigenschappen van het ijzer te meten. Bron: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Deze eigenschappen speelden een cruciale rol in de vorming en evolutie van de aarde. De evolutie van onze planeet kan voor een groot deel gedreven zijn door de microscopische kwantumtoestanden van ijzeratomen. De 'spintoestand' van ijzer is een kwantumeigenschap van zijn elektronen die het magnetische gedrag en de chemische reactiviteit ervan beïnvloedt. Veranderingen in de spintoestand beïnvloeden de gesmolten of vaste vorm van ijzer en de geleidbaarheid ervan.

Tot nu toe was het een uitdaging om de extreme omstandigheden in deze gesmolten materialen, bekend als silicaatsmelten, te reproduceren om de spintoestand van ijzer te meten. Een internationaal team van onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, Stanford University, Université Grenoble Alpes, het Laboratory for the Utilization of Intense Lasers (LULI) en de Arizona State University hebben deze uitdaging overwonnen met behulp van krachtige lasers en ultrasnelle röntgenstralen. Ze ontdekten dat bij extreem hoge drukken en temperaturen het ijzer in silicaatsmelten zich meestal in een lage spintoestand bevond, wat betekent dat de elektronen zich dichter bij het centrum bevonden en in hun energieniveau gepaard gingen, waardoor het ijzer minder magnetisch en stabieler werd.

De resultaten, gepubliceerd in Science Advances, ondersteunen het idee dat bepaalde soorten lava stabiel kunnen zijn diep in de aarde en op andere rotsachtige planeten, en mogelijk een rol spelen bij het ontstaan ​​van magnetische velden. Het onderzoek heeft potentiële implicaties voor het begrijpen van de evolutie van de aarde, het interpreteren van seismische signalen en zelfs voor de studie van exoplaneten.

"Als we de geschiedenis van de aarde onderzoeken, kijken we naar processen die meer dan 4 miljard jaar geleden plaatsvonden", zegt co-auteur Dan Shim, onderzoeker aan de Arizona State University. "De enige manier om de geschiedenis van de aarde te bestuderen is door moderne technologie te gebruiken, gemeten in femtoseconden. Het contrast tussen deze enorme tijdschalen is zowel welsprekend als schokkend: het lijkt op het concept van een tijdmachine."

Asteroïdebombardementen en magma-oceanen

Ongeveer 4,3 miljard tot 4,5 miljard jaar geleden ondervond de vroege aarde een sterke impact en werd getroffen door een asteroïde zo groot als een stad. Deze inslagen genereerden zoveel hitte dat ze mogelijk de buitenste lagen van de aarde volledig hebben gesmolten, waardoor een diepe oceaan van lava is ontstaan.

"Er zijn theorieën dat lava onder de intense druk van deze inslagen dichter zou kunnen worden dan massief gesteente", zegt co-auteur Arianna Gleason, een wetenschapper bij SLAC. Dit dichtere magma zinkt naar de kern van de aarde en legt de chemische signatuur van dat tijdperk vast. Sommigen geloven dat er vandaag de dag nog steeds overblijfselen van deze magmalaag kunnen bestaan, die aanwijzingen bevatten tot 4,5 miljard jaar geleden. Vulkanen op plaatsen als Hawaï kunnen deze oude chemische kenmerken vrijgeven, waardoor we een kijkje kunnen nemen in het verre verleden van de aarde. "

Op ondiepe niveaus neemt gesmolten gesteente meer ruimte in beslag dan hetzelfde materiaal in vaste toestand. Maar naarmate de diepte en de druk toenemen, wordt dit verschil kleiner. De samenstelling van ijzer, vooral de spintoestand, speelt een belangrijke rol bij het bepalen van deze eigenschappen. Eerdere onderzoeken hebben gemengde resultaten opgeleverd voor de spintoestand van ijzer onder vergelijkbare omstandigheden: sommige onderzoeken vonden snelle veranderingen in de spintoestand van ijzer bij hoge druk, terwijl andere langzamere, meer geleidelijke veranderingen vonden.

De nieuwe studie is de eerste directe observatie van hoe ijzer zich onder extreme omstandigheden in echte lava gedraagt.

"Hoewel we veel informatie kunnen verkrijgen uit de studie van rotsen en fossielen, zijn sommige aspecten van de vroege geschiedenis van de aarde verloren gegaan omdat er weinig gegevens uit die tijd zijn. Dat maakt deze studie uniek", zei Shim. "De vorming van de aarde was een turbulent proces met sterke inslagen en het ontstaan ​​van een mondiale lavalaag. De druk in de lavalaag was enorm. We hebben dit bestudeerd door middel van laboratoriumexperimenten die de omstandigheden van die tijd simuleerden."

In de Materials in Extreme Condition (MEC)-kamer van SLAC's Liner Coherent Light Source (LCLS) vernietigde het team het monster met krachtige lasers, waarbij vast materiaal in nanoseconden werd omgezet in silicaatsmelt, waardoor de extreme druk werd nagebootst die werd aangetroffen in de vroege magma-oceanen van de aarde. De wetenschappers gebruikten vervolgens femtoseconde röntgenpulsen van LCLS om de elektronische structuur van elementen zoals ijzer onder deze extreme omstandigheden te bestuderen, waarbij ze inzicht kregen in hoe elektronenconfiguraties onder verschillende omstandigheden veranderen en onthulden dat gesmolten magma inderdaad dichter wordt dan vaste stoffen onder bepaalde omstandigheden.

"Door de interne dynamiek van de aarde te begrijpen, kunnen we modellen van tektonische bewegingen en andere geologische verschijnselen verbeteren", zei Gleason. "Omdat de lagen van de aarde met elkaar verbonden zijn, hebben deze bevindingen bovendien implicaties voor de klimaatwetenschap."

Leer meer over onze planeet

In deze studie concentreerde het team zich op smeltingen met een laag ijzergehalte. Maar naarmate materiaal naar het centrum van de aarde stroomt, absorbeert het theoretisch meer ijzer, waardoor het dichter wordt. Als vervolg op de studie is het team van plan smeltingen met een hoger ijzergehalte te bestuderen. Ze hopen ook experimenten uit te voeren met smeltingen die wat water bevatten om meer te leren over de watercyclus en het klimaat van de aarde.

Het onderzoek zou ook speciale seismische snelheden diep in de aardmantel kunnen onthullen. Deze anomalieën hebben wetenschappers decennialang in verwarring gebracht. Sommige theorieën suggereren dat deze gebieden overblijfselen kunnen zijn van magma van 4,5 miljard jaar geleden, terwijl anderen geloven dat ze het resultaat zijn van tektonische platen die in het binnenste van de aarde zinken en materialen met een laag smeltpunt verspreiden. Door verschillende hypothesen te vergelijken met behulp van seismische beeldvormingstechnieken, probeerde het team de oorsprong van deze gebieden te bepalen en onderscheid te maken tussen oud en recent materiaal.

"Naarmate de technologie zich ontwikkelt, lopen we voorop bij het oplossen van grote uitdagingen, van mineralogie tot klimaatwetenschap, en brengen we onderzoeksvelden samen", zegt SLAC-wetenschapper en medewerker Roberto Alonso-Mori. "De enorme hoeveelheid informatie die we kunnen verzamelen verandert onze mogelijkheden. Het is een game changer. Het is spannend om met zo'n divers team samen te werken om nieuwe technologieën te ontwikkelen en deze toe te passen om urgente problemen op te lossen."