Význam
Železo je hlavní složkou jader pozemských planet, přičemž v podmínkách vnitřního jádra Země nabývá hexagonální uzavřené struktury a při mírnějších tlacích menších těles, jako je Měsíc, Merkur nebo Mars, nabývá struktury fcc (face-centered cubic). Zde uvádíme měření rychlosti zvuku a hustoty fcc železa při tlacích a teplotách charakteristických pro vnitřní prostory malých planet. Výsledky ukazují, že v současnosti navrhované rychlosti zvuku pro vnitřní jádro Měsíce jsou mnohem nižší než rychlosti fcc železa nebo pravděpodobných slitin železa. Náš soubor dat poskytuje silná omezení pro seismické modely měsíčního jádra a jader malých telurických planet a umožňuje nám vytvořit přímý model složení a rychlostí jádra Měsíce.
Abstract
Fyzikální vlastnosti železa (Fe) za vysokého tlaku a vysoké teploty jsou klíčové pro pochopení chemického složení, vývoje a dynamiky planetárních interiérů. Vnitřní struktury telurických planet mají totiž všechny podobný vrstevnatý charakter: centrální kovové jádro složené převážně ze železa, obklopené silikátovým pláštěm a tenkou, chemicky diferencovanou kůrou. Doposud se většina studií železa zaměřovala na hexagonální uzavřenou fázi (hcp neboli ε), protože ε-Fe je pravděpodobně stabilní v tlakových a teplotních podmínkách zemského jádra. Při mírnějších tlacích, které jsou charakteristické pro jádra menších planetárních těles, jako je Měsíc, Merkur nebo Mars, však železo nabývá kubické struktury s centrovaným povrchem (fcc, γ). Zde uvádíme měření rychlosti a hustoty tlakových a smykových vln γ-Fe při vysokých tlacích a teplotách, která jsou potřebná pro vývoj přesných seismických modelů planetárního nitra. Naše výsledky ukazují, že seismické rychlosti navržené pro vnitřní jádro Měsíce nedávnou reanalýzou seismických dat z programu Apollo jsou mnohem nižší než rychlosti γ-Fe. Náš soubor dat tak poskytuje silná omezení pro seismické modely měsíčního jádra a jader malých telurických planet. To nám umožňuje navrhnout přímý model složení a rychlosti pro jádro Měsíce.
- železo
- vysoký tlak
- vysoká teplota
- Měsíc
- tellurická jádra planet
Přestože tellurické planety a satelity mají kovová jádra složená převážně ze železa, rozdíly v objemových hmotnostech znamenají rozdílné tlakové (P) a teplotní (T) podmínky v centru těchto těles. To se zase odráží na pevné versus kapalné povaze jádra a na stabilní krystalické struktuře pevné fáze. Šestiboká uzavřená fáze (hcp neboli ε) je pravděpodobně stabilní Fe fází napříč tlakovými a teplotními podmínkami zemského jádra (1). Při mírném P-T charakteristickém pro jádra relativně malých planet, jako je Merkur (P mezi ∼8 GPa a ∼40 GPa, T mezi ∼1 700 K a ∼2 200 K) (2) nebo Mars (P mezi ∼24 GPa a ∼42 GPa, T mezi ∼2 000 K a 2 600 K) (3, 4) nebo na satelitech včetně Měsíce (P∼5-6 GPa, T mezi 1 300 K a 1 900 K) (5), je očekávanou stabilní strukturou železa kubická struktura s centrovaným povrchem (fcc nebo γ) (6). Pro tuto fázi neexistují rozsáhlá experimentální měření agregátních rychlostí zvuku v závislosti na tlaku a teplotě. Studie se omezují na jediné stanovení Debyeovy rychlosti při 6 GPa a 920 K (7) a na experiment s nepružným rozptylem neutronů (INS) při okolním tlaku a teplotě 1 428 K (8), ačkoli úplný a konzistentní soubor měření rychlostí zvuku tlakové a smykové vlny (resp. VP a VS) a hustoty (ρ) při vysokém tlaku a vysoké teplotě jsou základními parametry potřebnými pro vývoj spolehlivých seismických modelů planetárních jader.
Měsíc je kromě Země jediným telurickým tělesem, pro které je k dispozici více přímých seismických pozorování. Poskytl je balík experimentů Apollo Lunar Surface Experiments (9), který i přes velmi omezený počet seismometrů a částečný selenografický rozsah poskytl cenné informace o struktuře nitra Měsíce (10, 11). Nicméně seismický výzkum nejhlubšího měsíčního nitra (hloubka >900 km) je stále velmi náročný. Struktura měsíčního jádra je kontroverzní, existuje pouze jediná seismická studie jádrem odražených a konvertovaných S a P vln, která přímo zjišťuje existenci pevného vnitřního a tekutého vnějšího jádra (10). Existence kapalného vnějšího jádra se zdá být příznivá i při zvážení polárního momentu setrvačnosti, celkové elastické odezvy na slapový potenciál (Loveho čísla) a seismických omezení pláště (10⇓-12). V analýze seismických dat navržené v ref. 10, bylo vnitřní jádro modelováno jako čisté železo, zatímco vnější tekuté jádro bylo modelováno tak, že obsahuje méně než 13 hm. % síry legované železem (méně než 6 hm. % v celém jádře). Různá nepřímá pozorování rovněž poukazují na existenci kovového jádra (5, 12), ačkoli se studie liší v mnoha aspektech, jako je poloměr jádra, pevný vs. kapalný charakter nebo jeho složení. Přesné určení struktury a chemického složení jádra Měsíce je nezbytné pro pochopení současné dynamiky a také pro omezení modelů původu a vývoje Měsíce, včetně možné existence dnes již zaniklého měsíčního dynama (5, 13).
Vazbu mezi seismickými pozorováními a geofyzikálními modely mohou zajistit experimenty, které zkoumají šíření zvukových vln v kandidátních materiálech za příslušných termodynamických podmínek. Zde jsme provedli měření hustoty (ρ) a rychlosti zvuku (VP a VS) na tělesově centrovaném kubickém (bcc) a fcc železe při současném vysokém tlaku a vysoké teplotě pomocí nepružného rozptylu rentgenového záření (IXS) v kombinaci s měřením rentgenové difrakce (XRD).
IXS umožňuje jednoznačnou identifikaci podélných agregátních excitací v polykrystalických vzorcích, přímé odvození VP a odhad VS (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (obr. 1). Tato technika se ukázala jako velmi vhodná pro měření na kovových vzorcích stlačených v diamantové kovadlině (14⇓-16) a nedávno byla rozšířena pro měření za současných podmínek vysokého P-T (17⇓⇓-20). Kombinovaná měření XRD navíc umožňují jednoznačné určení fáze a přímé odvození hustoty vzorku (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).