Szignifikancia
A vas a földi bolygók magjának fő alkotóeleme, amely a Föld belső magjának körülményei között hexagonális, zárt szerkezetű, a kisebb égitestek, például a Hold, a Merkúr vagy a Mars mérsékeltebb nyomása mellett pedig arcközpontú köbös (fcc) szerkezetet vesz fel. Itt az fcc vas hangsebesség- és sűrűségméréseit mutatjuk be a kisbolygók belsejére jellemző nyomáson és hőmérsékleten. Az eredmények azt mutatják, hogy a Hold belső magjára jelenleg javasolt szeizmikus sebességek jóval alacsonyabbak az fcc vas vagy a valószínűsíthető vasötvözetek sebességénél. Adathalmazunk erős megszorításokat nyújt a Hold magjának és a tellurikus kisbolygók magjának szeizmikus modelljeihez, és lehetővé teszi a Hold magjának közvetlen összetétel- és sebességmodelljének felépítését.
Abstract
A vas (Fe) fizikai tulajdonságai nagy nyomáson és magas hőmérsékleten létfontosságúak a bolygó belsejének kémiai összetételének, fejlődésének és dinamikájának megértéséhez. Valóban, a tellúrbolygók belső szerkezete mind hasonlóan rétegzett: egy központi, főleg vasból álló fémes mag, amelyet szilikátos köpeny és egy vékony, kémiailag differenciált kéreg vesz körül. Eddig a legtöbb vasra vonatkozó tanulmány a hexagonális zárt csomagolású (hcp, vagy ε) fázisra összpontosított, mivel az ε-Fe valószínűleg stabil a Föld magjának nyomás- és hőmérsékleti viszonyai között. A kisebb bolygók, például a Hold, a Merkúr vagy a Mars magjaira jellemző mérsékeltebb nyomáson azonban a vas arcközpontú köbös (fcc, vagy γ) szerkezetet vesz fel. Itt bemutatjuk a γ-Fe nagy nyomáson és magas hőmérsékleten végzett kompressziós és nyíróhullámú hangsebesség- és sűrűségméréseit, amelyek szükségesek a bolygók belsejének pontos szeizmikus modelljeinek kidolgozásához. Eredményeink azt mutatják, hogy az Apollo szeizmikus adatok közelmúltbeli újraelemzése által a Hold belső magjára javasolt szeizmikus sebességek jóval a γ-Fe sebességek alatt vannak. Adathalmazunk így erős korlátokat biztosít a Hold magjának és a tellurikus kisbolygók magjának szeizmikus modelljeihez. Ez lehetővé teszi, hogy közvetlen összetétel- és sebességmodellt javasoljunk a Hold magjára.
- vas
- magas nyomás
- magas hőmérséklet
- Hold
- tellurikus bolygómagok
Noha a tellurikus bolygók és műholdak fémmagja főként vasból áll, az ömlesztett tömegek közötti különbségek eltérő nyomás (P) és hőmérséklet (T) viszonyokat feltételeznek ezen égitestek középpontjában. Ez pedig visszahat a mag szilárd versus folyékony jellegére és a szilárd fázis stabil kristályszerkezetére. A hexagonális, zárt csomagolású (hcp, vagy ε) fázis valószínűleg a stabil Fe-fázis a Föld magjának nyomás- és hőmérsékleti viszonyai között (1). A viszonylag kis bolygók, például a Merkúr (P ∼8 GPa és ∼40 GPa között, T ∼1 700 K és ∼2 200 K között) (2) vagy a Mars (P ∼24 GPa és ∼42 GPa között, T ∼2000 K és 2600 K között) (3, 4), vagy műholdakon, beleértve a Holdat (P∼5-6 GPa, T 1300 K és 1900 K között) (5) (5), a vas várható stabil szerkezete az arcközpontú köbös (fcc, vagy γ) (6). Erre a fázisra vonatkozóan nem állnak rendelkezésre kiterjedt kísérleti mérések az aggregált hangsebességekről a nyomás és a hőmérséklet függvényében. A vizsgálatok a Debye-sebesség egyetlen meghatározására korlátozódnak 6 GPa-n és 920 K-en (7), valamint egy inelasztikus neutronszórásos (INS) kísérletre környezeti nyomáson és 1428 K-en (8), noha a nagy nyomáson és magas hőmérsékleten mért kompressziós és nyíróhullámos hangsebesség (VP és VS) és sűrűség (ρ) teljes és konzisztens méréskészlete alapvető paraméterek, amelyek szükségesek a bolygómagok megbízható szeizmikus modelljeinek kidolgozásához.
A Hold az egyetlen tellurikus égitest a Földön kívül, amelyről több közvetlen szeizmikus megfigyelés áll rendelkezésre. Ezeket az Apollo Lunar Surface Experiments Package (9) biztosította, amely a szeizmométerek igen korlátozott száma és a részleges szelenográfiai kiterjedés ellenére értékes információkkal szolgált a Hold belsejének szerkezetéről (10, 11). Mindazonáltal a legmélyebb holdbelső (>900 km mélység) szeizmikus vizsgálatai továbbra is nagy kihívást jelentenek. A holdi mag szerkezete ellentmondásos, mindössze egyetlen olyan szeizmikus vizsgálat létezik a magból visszavert és átalakított S- és P-hullámokról, amely közvetlenül kimutatja egy szilárd belső és egy folyékony külső mag létezését (10). A sarki tehetetlenségi nyomatékot, az árapály-potenciálra adott általános rugalmas választ (Love-számok) és a köpeny szeizmikus kényszereit figyelembe véve a folyékony külső mag létezése is kedvezőnek tűnik (10⇓-12). A szeizmikus adatok elemzése során javasolt ref. 10 alapján a belső magot tiszta vasként modelleztük, míg a külső folyékony magot úgy modelleztük, hogy az kevesebb mint 13 tömegszázalék vashoz ötvözött ként tartalmazzon (kevesebb mint 6 tömegszázalékot a teljes magban). Különböző közvetett megfigyelések is fémmag létezésére utalnak (5, 12), bár a tanulmányok sok tekintetben eltérnek egymástól, például a mag sugarát, szilárd vagy folyékony jellegét vagy összetételét illetően. A Hold magja szerkezetének és kémiai összetételének pontos meghatározása elengedhetetlen a mai dinamika megértéséhez, valamint a holdi eredet és fejlődés modelljeinek korlátozásához, beleértve a mára kihalt holdi dinamó lehetséges létezését is (5, 13).
A szeizmikus megfigyelések és a geofizikai modellek közötti kapcsolatot olyan kísérletek biztosíthatják, amelyek a hanghullámok terjedését vizsgálják a jelölt anyagokban a megfelelő termodinamikai feltételek mellett. Itt sűrűség (ρ) és hangsebesség (VP és VS) méréseket végeztünk testközpontú köbös (bcc) és fcc vason egyidejűleg magas nyomáson és magas hőmérsékleten, röntgendiffrakciós (XRD) mérésekkel kombinált rugalmatlan röntgenszórás (IXS) segítségével.
Az IXS lehetővé teszi a longitudinális aggregátumok gerjesztésének egyértelmű azonosítását polikristályos mintákban, a VP közvetlen levezetését és a VS becslését (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (1. ábra). Ez a technika nagyon alkalmasnak bizonyult gyémánt üllőcellában tömörített fémes mintákon végzett mérésekre (14⇓-16), és nemrégiben kiterjesztették az egyidejűleg magas P-T körülmények között végzett mérésekre (17⇓⇓-20). Továbbá a kombinált XRD-mérésekkel egyértelmű fázismeghatározás és a mintasűrűség közvetlen levezetése érhető el (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).