Загадка разделения изотопов в лаве решена
 Поток расплавленной лавы. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Идея о том, что колебания температуры могут способствовать химической дифференциации Земли, появилась еще в XIX веке, благодаря швейцарскому химику Чарльзу Соре (Charles Soret). Для газов эффект Соре (также получивший название термофореза) был объяснен еще в 1930 году при помощи классической теории. Но тот факт, что аналогичное явление может происходить и в магме (точнее, что в магме могут самопроизвольно выделять изотопы) был доказан в лабораторных условиях только в конце 1990-х годов.
В расплавленных породах более тяжелые изотопы таких элементов, как магний, кальций и железо, как правило, концентрируются в менее нагретых областях, в то время как более легкие изотопы «предпочитают» более нагретые области. Разница между концентрациями, как правило, не велика – порядка 1%. Но объяснения этого факта, по мнению группы ученых из University of California (США), очень не хватало в науках о Земле.
Существовали различные теории относительно причин возникновения изотопного разделения. В частности, не так давно была опубликована работа, предполагавшее влияние квантовых эффектов. Однако, совместная группа ученых из Case Western Reserve University и University of California (США) начала поиски «классического» объяснения феномена. Подробные результаты их работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Для начала команда провела ряд экспериментов по разделению изотопов. Они рассмотрели более широкий спектр элементов, чем их предшественники, в том числе уран и гафний, чтобы улучшить точность сравнения теории и эксперимента. Ученые исследовали образцы расплавленного силиката магния, содержащего небольшие примеси других элементов, при градиенте температур более чем 400 градусов по шкале Цельсия на расстоянии в 1 см. Стоит отметить, что перед началом измерений указанная разница температур сохранялась в образце в течение месяца. После того, как источник тепла был выключен, а образец затвердел, ученые измерили концентрацию различных изотопов и выяснили, что в холодных областях концентрация тяжелых изотопов была примерно на 1% выше, чем в горячих областях, как и предполагалось перед началом работы.
После этого ученые использовали теорию 1930-х годов, первоначально предназначенную для газов, для предсказания степени разделения изотопов при тех же условиях. Оказалось, что проведенный расчет хорошо согласуется с полученными результатами.
На третьем этапе исследований ученые провели компьютерное моделирование молекул в жидкости, представляя их как классические частицы. И результат снова оказался хорошо согласующимся с теоретическими предсказаниями. Таким образом, ученые доказали применимость теории.
По мнению коллег ученых, опубликованная работа может пролить свет на процессы, посредством которого магма превращается в скалы. В частности, она, вероятно, поможет ученым понять природу таинственного тонкого слоя расплавленной породы, находящегося между твердой мантией Земли и ее жидким железным ядром.
Также по теме:
- 2012: инверсия магнитного поля Земли происходит каждую геологическую эпоху
- Открытие американских геологов положило конец дебатам о кислороде, содержащемся в мантии Земли
Источники: