Ksenonam bija jāpaliek ārpusē

Ģezinātnieki atrod skaidrojumu cēlgāzes ksenona trūkumam uz Zemes

Zemes mantijas. © NASA
lasīt skaļi

Pētnieki ir atraduši skaidrojumu, kāpēc cēlgāzes ksenons uz Zemes ir tik daudz retāks nekā citas cēlgāzes: Zemes pirmajās dienās argonu un kriptonu sagūstīja mantijas minerāls un tādējādi tika saglabāts klintī. Tas viņus uzturēja dzīvus pat tad, kad pazuda Zemes pirmais gāzes apvalks. Ksenons tomēr bija pārāk liels glabāšanai, tāpēc to aiznesa līdz ar oriģinālo atmosfēru. Šo risinājumu vecai ģeozinātņu mīklai pētnieki iepazīstināja žurnālā Nature.

{1l}

Kāpēc cēlgāzu argons un ksenons rodas uz zemes tik nevienādos daudzumos? Kaut arī argons ir trešais bagātīgākais elements Zemes atmosfērā pēc slāpekļa un skābekļa, tas satur ļoti maz ksenona pēdas. Tas ir vēl neizprotamāk, saskaroties ar meteorītiem, kas atrodami uz Zemes. Šie oglekļa hondrīti, kas, tāpat kā Zeme, radās pirms apmēram 4, 5 miljardiem gadu, tiek uzskatīti par akmens lieciniekiem no Saules sistēmas sākuma dienām. Bet viņiem ir daudz lielāks ksenona saturs nekā mūsu planētai. Hanss Kepplers un Svjatoslavs Ščeka Bavārijas Ģeoinstitūtā - Bireitas Universitātes pētniecības centrā - tagad ir izstrādājuši risinājumu šai noslēpumam, kas jau sen ir bijis izpētes objekts.

Izslāpēts perovskita mantiņā?

Bayreuth pētījumu sākumpunkts bija jautājums par to, vai cēlgāzes varētu saistīt lielākos daudzumos apakšējā apvalkā - un vai ksenons šajā ziņā atšķiras no citām cēlgāzēm. Apakšējā mantija atrodas dziļumā no 660 līdz 2900 kilometriem tieši virs Zemes serdes. Šis apgabals pārsvarā sastāv no minerālā magnija silikāta perovskita, kas veido vairāk nekā pusi no zemes masas. Parasti var gaidīt, ka cēlgāzes neiekļūst ķīmiskajās saitēs un tāpēc nav iekļautas minerālu kristāla struktūrā. Tomēr, ņemot vērā magnija silikāta perovskita īpašās īpašības, Ščeka un Kepelers ierosināja, ka šis minerāls varētu izturēties atšķirīgi.

Izmantojot Bavārijas ģeoinstitūta pētījumu tehnoloģijas, Kepplers un Ščeka spēja simulēt apakšējās apvalka spiediena un temperatūras apstākļus. Augstas veiktspējas presē tie radīja 250 000 atmosfēras spiedienu un krietni virs 1600 grādiem pēc Celsija. Salīdzinājumam - ja Parīzes Eifeļa torni līdzsvaro uz pirksta, tas būtu "tikai" 100 000 atmosfēras spiediens. Šajos ārkārtējos apstākļos pētnieki pēc tam magnija silikāta perovskītu nonāca saskarē ar dažādām cēlgāzēm. displejs

Daudzi no šiem eksperimentiem beidzās ar vardarbīgiem sprādzieniem. Tomēr nedaudz veiksmīgu eksperimentu uzrādīja ļoti pārsteidzošu rezultātu: ārkārtīgi augsta spiediena apstākļos magnija silikāta perovskitam nav grūti uzglabāt vienu procentu no salīdzinoši vieglā cēlgāzes argona atomiem. Tajā tiek glabāta arī kriptonauda, ​​vēl viena cēlgāze, ar apmēram tādu pašu proporciju. Diezgan atšķirīgs ir ksenons: tas ir tikai 0, 03 procenti no bagātināta minerāla ar augstu spiedienu. Bayreutas pētnieki uzskata, ka tā iemesls ir atomu lielums: Argona atomiem ir gandrīz ideāls izmērs, lai aizņemtu skābekļa vakances magnija silikāta perovskitā. Ksenona atomi, no otras puses, iespējams, jau ir pārāk lieli, lai iespiestos minerāla sīkajās vietās.

"Ksenona spraugas" skaidrojums

Šie atradumi tagad ir atslēga, lai izskaidrotu mulsinošo "ksenona plaisu" zemes gaisā. Keplers un Ščeka strādā pie ieskatiem agrākajā ģeoloģiskajā vēsturē, kas pētījumos jau tiek uzskatīti par noteiktiem: Jaunā zeme saturēja milzīgu magmas okeānu, kurā kristalizācijas procesā izveidojās liels daudzums magnija silikāta perovskita., Tajā, kā parādīja simulācijas eksperimenti, ārkārtīgi liels spiediens tika nogulsnēts ārkārtīgi lielos daudzumos argona un kriptona. Ksenonam tomēr bija jāpaliek ārpusē.

Magnija silikāta perovskīts, kas bagātināts ar cēlgāzēm, turpināja zemi turpināt atdzist, kā galveno sastāvdaļu apakšējā apvalkā. Tajā pašā laikā jaunā zeme zaudēja milzīgus atmosfēras meteorītus, atmosfēras elli, no kuras tā sākotnēji tika ieskauta. Tikai tālākajā zemes vēstures gaitā izveidojās jauna zemes atmosfēra. Šajā procesā no zemes iekšpuses, ieskaitot argonu, plūda liels daudzums gāzu, kas nonāca virsmā zemes apvalka recirkulācijas procesu rezultātā. Bet tikai nelielas ksenona pēdas spēja izkļūt jaunā gaisā, jo zemes iekšienē vairāk nebija pieejama. Mūsdienu gaisa sastāvs joprojām satur pēdas procesiem, kas notika pirms 4, 5 miljardiem gadu, kad zeme bija pilnībā izkususi.

Pētījumiem ir liela nozīme arī Marsa izpētē. Tā kā pat uz kaimiņu planētas virsmas ir savdabīgs ksenona trūkums. Ņemot vērā jaunos atklājumus, šī "ksenona plaisa" ir norāde, ka Marsa agrīnajā vēsturē varētu būt bijuši līdzīgi magmas okeāni un līdzīgi kristalizācijas procesi kā uz Zemes varētu. (Daba, 2012; doi: 10.1038 / daba11506)

(Beireitas Universitāte, 19.10.2012. - NPO)