ग्रहों आंतरिक भेदभाव के सिमुलेशन प्रयोगशाला में प्रक्रियाओं
Summary
यहाँ वर्णित उच्च दबाव और उच्च तापमान प्रयोगों ग्रह इंटीरियर भेदभाव प्रक्रियाओं की नकल. प्रक्रियाओं के उच्च संकल्प 3 डी इमेजिंग और मात्रात्मक रासायनिक विश्लेषण द्वारा कल्पना और बेहतर समझ रहे हैं.
Abstract
एक ग्रहों इंटीरियर उच्च दबाव और उच्च तापमान की शर्तों के तहत है और यह एक स्तरित संरचना है. कि स्तरित संरचना करने के लिए नेतृत्व किया है कि दो महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं, ग्रह भेदभाव से एक ठोस सिलिकेट मैट्रिक्स में तरल धातु (1) के टपकन, और ठंडा करने के बाद ग्रह (2) भीतरी कोर क्रिस्टलीकरण कर रहे हैं. हम प्रयोगशाला में दोनों प्रक्रियाओं अनुकरण करने के लिए उच्च दबाव और उच्च तापमान प्रयोगों का संचालन. Percolative ग्रहों की कोर का गठन द्वितल (गीला) कोण द्वारा नियंत्रित किया जाता है जो पिघल टपकन, की क्षमता पर निर्भर करता है. सिलिकेट ठोस रहता है, और फिर 3 डी दृश्य से एक क्रिस्टलीय मैट्रिक्स में तरल प्रवास की शैली का मूल्यांकन करने के लिए सही द्वितल कोण का निर्धारण करते हुए टपकन अनुकरण लोहे सल्फर मिश्र धातु पिघला हुआ है, जिस पर एक लक्ष्य के तापमान के लिए उच्च दबाव पर नमूना हीटिंग शामिल है. 3 डी की मात्रा प्रतिपादन एक केंद्रित आयन बीम (FIB) और प्रादेशिक सेना के साथ बरामद नमूना टुकड़ा करने की क्रिया द्वारा हासिल की हैएक मिथ्या / SEM crossbeam साधन के साथ प्रत्येक टुकड़ा के राजा SEM छवि. प्रयोगों के दूसरे सेट तरल बाहरी कोर और उच्च दबाव में तापमान के पिघलने और तत्व विभाजन के निर्धारण से ठोस भीतरी कोर के बीच भीतरी कोर क्रिस्टलीकरण और तत्व वितरण को समझने के लिए बनाया गया है. पिघलने प्रयोगों ऊपर 27 GPa को बहु – निहाई तंत्र में आयोजित किया गया और लेजर हीटिंग के साथ हीरे की निहाई सेल में उच्च दबाव को बढ़ा रहे हैं. हम सटीक FIB मिलिंग द्वारा छोटे गर्म नमूने की वसूली और उच्च दबाव पर पिघलने बनावट बताते हैं कि लेजर गर्म स्थान के उच्च संकल्प छवियों को प्राप्त करने के लिए तकनीक विकसित की है. Coexisting तरल और ठोस चरणों के रासायनिक रचनाओं का विश्लेषण करके, हम ठीक भीतरी कोर क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया को समझने के लिए आवश्यक आंकड़े उपलब्ध कराने, liquidus वक्र निर्धारित करते हैं.
Introduction
इस तरह पृथ्वी, शुक्र, मंगल, और बुध के रूप में स्थलीय ग्रहों एक सिलिकेट मेंटल और एक धातु कोर से मिलकर विभेदित ग्रहों निकायों हैं. आधुनिक ग्रह गठन के मॉडल स्थलीय ग्रहों के गुरुत्वाकर्षण बातचीत 1-2 के माध्यम से कि आकार या बड़ा planetesimals से हो गई चंद्रमा को मंगल ग्रह के आकार के ग्रहों की भ्रूण की टक्कर से गठन किया गया है कि पता चलता है. planetesimals संभावना धातु लौह मिश्र जैसे 26 अल और 60 फ़े, प्रभाव के रूप में अल्पकालिक आइसोटोप के रेडियोधर्मी क्षय जैसे स्रोतों से होने के कारण ताप को तापमान के पिघलने तक पहुँच एक बार पहले से ही भेदभाव किया गया और संभावित ऊर्जा 3 की रिहाई. यह तरल धातु जल्दी भेदभाव के दौरान एक सिलिकेट मैट्रिक्स के माध्यम से percolated कैसे को समझने के लिए महत्वपूर्ण है.
ग्रह भेदभाव के आधार पर, कुशल तरल तरल जुदाई के माध्यम से या एक ठोस सिलिकेट मैट्रिक्स में तरल धातु के टपकन से आगे बढ़ सकता हैआकार और ग्रहों निकायों के आंतरिक तापमान पर. तापमान पूरे ग्रहों शरीर पिघला करने के लिए पर्याप्त नहीं है, जब ठोस सिलिकेट मैट्रिक्स में तरल धातु के टपकन संभावना प्रारंभिक भेदभाव में एक प्रमुख प्रक्रिया है. टपकन की दक्षता ठोस ठोस और ठोस तरल इंटरफेस के interfacial ऊर्जा द्वारा निर्धारित द्वितल कोण पर निर्भर करता है. हम लौह मिश्र धातु और सिलिकेट के मिश्रण पर उच्च दबाव और उच्च तापमान के द्वारा आयोजित प्रयोग प्रयोगशाला में इस प्रक्रिया अनुकरण कर सकते हैं. हाल के अध्ययनों से 4-7 उच्च दबाव और तापमान पर एक ठोस सिलिकेट मैट्रिक्स में तरल लोहा मिश्र के गीला क्षमता की जांच की है. वे सच द्वितल कोण के निर्धारण के लिए बुझती तरल धातु और पॉलिश पार वर्गों पर सिलिकेट अनाज के बीच स्पष्ट द्वितल कोण के सापेक्ष आवृत्ति वितरण को मापने के लिए एक पारंपरिक विधि का इस्तेमाल किया. पारंपरिक विधि अपेक्षाकृत बड़े UNC पैदावारमापा द्वितल कोण और नमूना आँकड़ों के आधार पर संभव पूर्वाग्रह में ertainties. यहाँ हम मिथ्या मिलिंग और उच्च संकल्प क्षेत्र के उत्सर्जन SEM इमेजिंग के संयोजन से तीन आयाम (3 डी) में सिलिकेट मैट्रिक्स में तरल धातु का वितरण कल्पना करने के लिए एक नई इमेजिंग तकनीक मौजूद है. नई इमेजिंग तकनीक द्वितल कोण और तरल चरण की मात्रा अंश और कनेक्टिविटी की मात्रात्मक माप की सटीक दृढ़ संकल्प प्रदान करता है.
पृथ्वी के केंद्र संभवतः अपनी प्रारंभिक इतिहास में एक तरल अवस्था में, एक अपेक्षाकृत कम समय (<100 मिलियन वर्ष) 8 में बनाई गई थी. मंगल और बुध भी क्रमश: ग्रहों की रोटेशन 10, से बंधा मार्स ग्लोबल सर्वेयर रेडियो ट्रैकिंग डेटा 9 और रडार धब्बा पैटर्न से सौर ज्वार विरूपण पर आधारित तरल कोर है. थर्मल विकास के मॉडल और मुख्य सामग्री पर उच्च दबाव पिघलने प्रयोगों आगे एक तरल मंगल ग्रह का निवासी कोर का समर्थन11-12. हाल के मैसेंजर अंतरिक्ष यान डेटा पारा 13 के एक तरल कोर के लिए अतिरिक्त सबूत प्रदान करते हैं. यहां तक कि छोटे चंद्रमा की संभावना अपोलो चंद्र seismograms 14 के हाल के पुनर्विश्लेषण के आधार पर एक छोटे से तरल कोर है. लिक्विड ग्रहों की कोर ग्रह गठन के प्रारंभिक चरण में उच्च अभिवृद्धि ऊर्जा के साथ संगत कर रहे हैं. इसके बाद ठंडा कुछ ग्रहों के लिए ठोस भीतरी कोर के गठन के लिए नेतृत्व कर सकते हैं. भूकंपी डेटा पृथ्वी एक तरल बाहरी कोर और एक ठोस भीतरी कोर के होते हैं कि पता चला है. भीतरी कोर का गठन थर्मल और compositional convections और ग्रह के चुंबकीय क्षेत्र की पीढ़ी द्वारा संचालित कोर की गतिशीलता के लिए महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है.
भीतरी कोर के solidification कोर सामग्री के पिघलने के तापमान और कोर के थर्मल विकास द्वारा नियंत्रित किया जाता है. स्थलीय ग्रहों की कोर गठन भी इसी अभिवृद्धि रास्तों साझा और कोर की रासायनिक संरचना ख को माना जाता हैई के बारे में 10 भार% प्रकाश सल्फर (एस) के रूप में तत्वों, सिलिकॉन (सी), ऑक्सीजन (O), कार्बन (सी), और हाइड्रोजन (एच) 15 के साथ लोहे का बोलबाला है. यह रचना के समझने के क्रम में, इस तरह के फे-fes, फ़े सी, Fe-FeO, Fe-FEh, और Fe-FeSiat उच्च दबाव के रूप में कोर, के लिए प्रासंगिक प्रणालियों में पिघलने संबंधों का ज्ञान होना आवश्यक है ग्रहों की कोर. इस अध्ययन में, हम ग्रहों कोर की शर्तों नकल उतार, बहु निहाई डिवाइस और हीरे के विचाराधीन सेल में किए गए प्रयोगों का प्रदर्शन करेंगे. प्रयोगों भीतरी कोर क्रिस्टलीकरण और क्रिस्टलीय भीतरी कोर और बाहर तरल कोर के बीच प्रकाश तत्वों के वितरण की आवश्यकताओं के लिए एक बेहतर समझ के लिए अग्रणी, ठोस और तरल धातु के बीच क्रिस्टलीकरण अनुक्रम और तत्व विभाजन के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं. पिघलने रिश्तों के लिए बहुत अधिक दबाव का विस्तार करने के लिए, हम लेजर गर्म हीरे के एक से बरामद बुझती नमूनों का विश्लेषण करने के लिए नई तकनीक विकसित की हैnvil सेल प्रयोगों. लेजर हीटिंग स्थान की सटीक FIB मिलिंग के साथ, हम उच्च संकल्प SEM और submicron स्थानिक संकल्प में एक सिलिकॉन बहाव डिटेक्टर के साथ मात्रात्मक रासायनिक विश्लेषण के साथ imaged शमन बनावट मानदंड का उपयोग पिघलने का निर्धारण.
यहाँ हम बाद में ठंडा करके जल्दी अभिवृद्धि और भीतरी कोर क्रिस्टलीकरण दौरान सिलिकेट मैट्रिक्स में पिघला धातु की टपकन से ग्रहों की कोर गठन की नकल करने के प्रयोगों के दो सेट की रूपरेखा. अनुकरण ग्रहों कोर के विकास के दौरान दो महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं को समझने के उद्देश्य से है.
Protocol
Representative Results
Discussion
बहु निहाई प्रयोगों के लिए तकनीक अच्छी तरह से स्थिर दबाव और चलाने के लिए समय की एक विस्तारित अवधि के लिए तापमान पैदा करने और अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा नमूना उत्पादन, स्थापित कर रहे हैं. यह विशेष रूप से कुछ न…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के लिए नासा अनुदान NNX11AC68G और वाशिंगटन के कार्नेगी संस्थान द्वारा समर्थित किया गया. मैं डेटा संग्रह के साथ उनकी सहायता के लिए ची जांग धन्यवाद. मैं भी इस पांडुलिपि की सहायक समीक्षा के लिए Anat शहर और वैलेरी Hillgren धन्यवाद.
Materials
| Multi-anvil apparatus | Geophysical Lab | Home Builder | |
| Diamond-anvil cell | Geophysical Lab | Home Builder | |
| Laser-heating system | APS GSECARS | Designed by beamline staff | Public beamline |
| FIB/SEM Crossbeam | Carl Zeiss Ltd. | Auriga | |
| Avizo 3D software | VSG | Fire for materials science |
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