งานวิจัยใหม่ให้ข้อมูลเชิงลึกที่เป็นไปได้เกี่ยวกับการก่อตัวของโลก

โลก

เครดิต: CC0 สาธารณสมบัติ

การศึกษาใหม่ที่ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยนิวเม็กซิโก พบว่ามีฮีเลียม-3 ในยุคดึกดำบรรพ์รั่วไหลออกมาจากแกนกลางของโลก บ่งชี้ว่าดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นภายในเนบิวลาสุริยะ ทำให้เกิดการถกเถียงกันในหมู่นักวิทยาศาสตร์มากขึ้น

ในแต่ละปี ก๊าซไอโซโทปฮีเลียม-3 ที่หายากประมาณ 2 กก. หนีออกจากภายในโลก ส่วนใหญ่ตามแนวสันเขากลางมหาสมุทร ซึ่งเป็นแนวของภูเขาไฟใต้น้ำทั่วโลก ฮีเลียม-3 เป็นยุคดึกดำบรรพ์ สร้างขึ้นหลังจากบิกแบงไม่นาน และได้มาจากเนบิวลาสุริยะเมื่อโลกก่อตัวขึ้น หลักฐานทางธรณีเคมีบ่งชี้ว่าโลกมีแหล่งกักเก็บฮีเลียม-3 ลึก แต่ตำแหน่งและความอุดมสมบูรณ์ของพวกมันไม่แน่นอน

รายการฮีเลียมของโลกประกอบด้วยไอโซโทปที่เสถียรสองไอโซโทป ฮีเลียม-4 ที่มีอยู่มากมาย และฮีเลียม-3 หายาก ซึ่งแตกต่างจากฮีเลียม-4 บนพื้นโลก ซึ่งส่วนใหญ่ผลิตโดยการสลายตัวของยูเรเนียมและทอเรียม ฮีเลียมบนบก -3 ส่วนใหญ่มีต้นกำเนิดมาจากยุคดึกดำบรรพ์ ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นภายหลังจากบิกแบงและรวมเข้ากับโลกเป็นหลักในระหว่างการก่อตัว

ในปัจจุบัน แบบจำลองของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนที่ระเหยง่ายระหว่างการก่อตัวและวิวัฒนาการของโลกทำให้แกนโลหะเป็นอ่างเก็บน้ำที่รั่วซึ่งส่งฮีเลียม-3 ให้กับส่วนที่เหลือของโลก ผลการวิจัยยังชี้ให้เห็นว่าสารระเหยอื่นๆ อาจรั่วจากแกนกลางไปยังเสื้อคลุม ฮีเลียม-3 มีต้นกำเนิดมาจากเนบิวลา เมฆฝุ่นขนาดมหึมาและองค์ประกอบพื้นฐานอื่นๆ เช่น ไฮโดรเจนและก๊าซไอออไนซ์อื่นๆ ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบแรกสุดที่เกิดขึ้นในจักรวาล ฮีเลียม-3 ส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นในช่วงเริ่มต้นของบิกแบง

ปีเตอร์ โอลสัน นักธรณีฟิสิกส์ของ UNM และหัวหน้าผู้เขียนรายงานกล่าวว่า “ฮีเลียม-3 ถูกสังเคราะห์ขึ้นในช่วงต้นของประวัติศาสตร์จักรวาล ซึ่งเร็วมาก ซึ่งหมายถึงภายในไม่กี่วินาทีของบิ๊กแบง” Earth’s Core and Mantle” ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร American Geophysical Union ธรณีเคมี ธรณีฟิสิกส์ ธรณีระบบ. “การศึกษานี้ช่วยระบุแกนกลางว่าเป็นแหล่งที่มาของการรั่วไหลมากกว่าเสื้อคลุม มีอายุมากกว่า 13 พันล้านปีและวัดจากภายในของโลกและสถานที่ที่เห็นได้ชัดว่ารั่วในอัตราที่เร็วที่สุดคือมหาสมุทรกลาง ศูนย์กระจายแนวสันเขา เหล่านี้เป็นขอบเขตของแผ่นเปลือกโลกที่มีการสร้างเปลือกโลกใหม่

“สองสิ่งมีความสำคัญถึงแม้จะเพียงเล็กน้อย อย่างแรกเลย มันไม่ได้มาถึงตอนนี้ มันเป็นองค์ประกอบดั้งเดิมและบางส่วนของสถานที่ซึ่งมันรั่วมีความเกี่ยวข้องกับแกนกลาง ตัวอย่างเช่น แหล่งที่มาของ ลาวาที่ประกอบกันเป็นเกาะฮาวายและไอซ์แลนด์ เชื่อกันว่ามาจากขนนกที่ลอยขึ้นมาจากชั้นปกคลุมจากบริเวณขอบเขตของเยื่อหุ้มแกนกลาง การสูญเสียฮีเลียมจากโลกนั้นมีอยู่ทั่วโลก ไม่ได้มีเพียงไม่กี่แห่งเท่านั้น แต่ยังกระจุกตัวอยู่ในการแพร่กระจาย ศูนย์กลางที่สันเขากลางมหาสมุทร ศูนย์กลางการแพร่กระจายเหล่านี้เป็นส่วนกลาง ครอบคลุมทั้งโลก พบฮีเลียมรั่วไหลออกจากสภาพแวดล้อมอื่นด้วย ดังนั้น มันคือส่วนกลางและมาจากส่วนลึกของโลก และนั่นคือ อนุมานสองประการ คือ คิดหนักจริงๆ”

การศึกษาซึ่งเกี่ยวข้องกับแซค ชาร์ป นักธรณีเคมีของ UNM ในภาควิชา Earth and Planetary Sciences เกี่ยวข้องกับสองด้านซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการสร้างแบบจำลอง—ประการแรก วิธีที่ฮีเลียม-3 เข้าสู่โลกลึกเพื่อเริ่มต้น กระบวนการได้มาซึ่ง และอย่างที่สอง มันออกมาได้อย่างไร การศึกษาก่อนหน้านี้ได้แสดงให้เห็นว่าฮีเลียม-3 เข้าไปได้อย่างไร แต่ไม่มีใครทำทั้งสองอย่าง ทั้งการได้มาซึ่งฮีเลียม-3 และกระบวนการในการดึงออก ทั้งสองเป็นกลไกพื้นฐานที่แตกต่างกันและเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่แตกต่างกันในประวัติศาสตร์โลก

Olson กล่าวว่า “กระบวนการได้มาหรือก๊าซที่ประกอบเป็นระบบสุริยะเป็นก๊าซที่ประกอบเป็นดวงอาทิตย์ ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ และเป็นก๊าซฮีเลียมประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์” “เป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสองในร่างกายเหล่านั้น (รองจากไฮโดรเจน) ซึ่งทำให้เป็นธาตุที่มีความอุดมสมบูรณ์มากเป็นอันดับสองในระบบสุริยะ วิธีที่ชัดเจนในการรวมฮีเลียม-3 จำนวนมากเข้ากับโลกคือการสร้างโลกในขณะที่ เนบิวลาสุริยะอยู่ในสถานที่รอบๆ เมื่อโลกถูกห่อหุ้มด้วยก๊าซเนบิวลา และหากพื้นผิวโลกหลอมละลาย แก๊สก็จะสามารถละลายเข้าสู่โลกที่หลอมละลายได้ เนื่องจากก๊าซจะละลายไปในทันที”

“มีดาวหางขนาดเล็กจำนวนมากหรือก้อนกรวดเล็กๆ ที่เราเรียกว่าก้อนหิมะภายในเนบิวลาสุริยะที่จะตกลงมาทางดวงอาทิตย์อย่างช้าๆ เพียงเพราะแรงโน้มถ่วงของแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์” ชาร์ปกล่าว “นั่นคือความแน่นอนทางกายภาพ—มันต้องเกิดขึ้น ตอนนี้ ถ้าคุณมีดาวเคราะห์ที่ยังไม่โตเต็มที่ และคุณมีก้อนกรวดพุ่งเข้าหาดวงอาทิตย์ ก้อนกรวดส่วนสำคัญของ ‘จะถูกดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วงโดย โลกที่กำลังเติบโต คุณสามารถสร้างได้ภายใน 2 ล้านปี ซึ่งมีขนาดเท่ากับโลกโดยกระบวนการนี้ ในขณะที่แบบจำลองก่อนหน้านี้ต้องใช้เวลามากกว่า 10 ล้านปีในการสร้างร่างกายขนาดเท่าโลก”

นักวิทยาศาสตร์ใช้แบบจำลองที่ประกอบด้วยชั้นบรรยากาศของเนบิวลาที่สร้างจากองค์ประกอบเดียวกันกับเนบิวลาสุริยะ และการนำวัสดุนี้เข้าไปในหลอมเหลว ซึ่งให้สภาพแวดล้อมที่จำเป็นในการแบ่งฮีเลียมออกจากเสื้อคลุมและแกนกลาง

Olson กล่าวว่า “คุณค้นพบได้อย่างรวดเร็วว่าพื้นผิวจะร้อนมากภายใต้สภาวะเหล่านั้นจนกลายเป็นมหาสมุทรหนืด ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมที่คุณสามารถละลายการสูญเสียฮีเลียมได้” “นั่นทำให้ฮีเลียมเข้าสู่โลก แต่ไม่ใช่ในแก่น สำหรับสิ่งนั้น คุณต้องละลายฮีเลียมเป็นเหล็กที่ก่อตัวเป็นแกนกลาง มีการตรวจวัดในห้องปฏิบัติการที่วัดความสามารถในการละลายของฮีเลียมในโลหะอิสระ เช่น เหล็กหลอมเหลว สิ่งนี้ทำให้เราประมาณการว่าคุณสามารถละลายฮีเลียมในแกนกลางได้มากเพียงใดในขณะที่โลกก่อตัว นั่นคือ กระบวนการสร้างแบบจำลองสำหรับขั้นตอนแรก ซึ่งบอกเราว่า คุณได้รับฮีเลียม-3 หนึ่งหรือหลายเพตากรัม (1,000,000,000,000,000 กรัม) เข้าไปในแกนกลาง ทางนั้น.”

“เป็นเรื่องที่ดีมากที่เราจะทำสิ่งนี้ คำถามคือ” ‘เราจะเอาฮีเลียมเข้าไปในเสื้อคลุมได้อย่างไร’? นี่เป็นปัญหาที่ไม่เคยถูกแก้ไข” ชาร์ปกล่าว “มันเหมือนกับ ใช่ มันอยู่ในนั้น และบางทีมันอาจมาจากดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อยตอนปลายเหล่านี้ แต่ปัญหาคือ ฮีเลียมไม่หนาแน่น มันต้องการที่จะ ‘ลอย’ ที่พื้นผิว มันเหมือนกับการเอาลูกบอลชายหาดและพยายามผลักมันลงไปที่ก้นสระ มันจะเด้งกลับขึ้นมา คุณจะได้รับฮีเลียมไปจนถึงชั้นลึกได้อย่างไร? มันเป็นปัญหาจริงๆ

“โดยทั่วไปจะไม่ถูกกล่าวถึงในกรณีของแนวคิดเรื่องการหายใจเข้าเนบิวลา แต่ร้อยละ 15 ของเนบิวลาเป็นฮีเลียม ส่วนที่เหลือส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน ดังนั้นเราจึงไป นั่นคือส่วนใหญ่ของก๊าซเนบิวลา หากคุณได้รับสิ่งนี้ ความดันสูงเช่นเดียวกับCO2 ละลายในน้ำของคุณในกระป๋องโซดา ฮีเลียมจะละลายไปจนสุดภายในโลก”

ขั้นตอนที่สองในกระบวนการนี้ยุ่งยากเพราะคุณต้องทำให้ฮีเลียม-3 หมดลงก่อนที่มันจะเริ่มรั่วออกจากแกนกลาง การศึกษาจำนวนมากสันนิษฐานว่าฮีเลียมหายไปจากเสื้อคลุมเมื่อโลกแข็งตัวหลังจาก “ผลกระทบยักษ์” Giant Impact เป็นการสันนิษฐานว่าก่อตัวของดวงจันทร์ระหว่างการชนกันระหว่างโปรโต-โลกกับดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่มีขนาดเท่ากับดาวอังคาร

“ผลกระทบจากยักษ์เป็นเหตุการณ์ที่ก่อกวนอย่างยิ่งที่เสื้อคลุมของโลกจะสูญเสียก๊าซจำนวนมาก รวมทั้งฮีเลียมสามของมัน นั่นเป็นขั้นตอนที่สำคัญเพราะไม่เช่นนั้น แกนกลางจะไม่รั่วไหลของฮีเลียม” โอลสันกล่าว “เมื่อทั้งสองอยู่ในสถานที่ กระบวนการสำหรับการรั่วไหลที่เราจำลองขึ้นเป็นเพียงการแพร่กระจายธรรมดาบวกการพาความร้อนในเสื้อคลุมดินซึ่งขับเคลื่อนการแปรสัณฐานของแผ่นเปลือกโลก ซึ่งจะขนส่งวัสดุปกคลุมลงไปที่ขอบเขตของแกนกลางซึ่งจะกักฮีเลียม จากแกนกลางและส่งกลับขึ้นสู่พื้นผิวที่สันเขามหาสมุทรและจุดร้อนของภูเขาไฟ และอาจถึงรอยแยกริโอ แกรนด์ ที่นี่ในนิวเม็กซิโก เป็นต้น”

“ปริมาณก๊าซฮีเลียมรั่วอยู่ที่ประมาณ 4 ปอนด์ต่อปี อาจจะเพียงพอสำหรับบรรจุลูกโป่ง 50 ลูก ขึ้นอยู่กับขนาดของลูกโป่ง” ชาร์ปกล่าว “ไม่มากแต่ความจริงที่ว่ามันยังคงออกมาจากโลกตลอดเวลาด้วยความคิดที่ว่าแกนกลางที่เป็นแหล่งสำคัญนั้นอยู่ได้หมด ไม่มีใครสนใจว่าฮีเลียมเพียงเล็กน้อยที่รั่วออกจากโลกสู่อวกาศ แต่เราคิดว่ามันเป็นรอยนิ้วมือสำหรับเหตุการณ์สำคัญๆ ในยุคแรกๆ ในประวัติศาสตร์โลกของเรา เป็นหลักฐานว่าแนวคิดการกลืนเนบิวลานั้นถูกต้อง ถ้าฮีเลียมถูกส่งในเวลาต่อมาโดยดาวเคราะห์น้อยและดาวหางพุ่งชนโลกหลังจากโลกก่อตัวขึ้นเป็นเวลาหลายล้านปี ไม่ได้คาดหวังว่าจะได้เห็นฮีเลียมมากนักในชั้นเปลือกโลกและแกนกลางลึกๆ ขนาดนั้น โดยแท้จริงแล้ว มันคือตัวแทนในการส่งน้ำที่ให้ชีวิตมายังโลก ซึ่งเป็นกลไกในการสร้างดาวเคราะห์ที่เอื้ออาศัยได้”


ฮีเลียมโบราณที่รั่วออกมาจากแกนกลางเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงการก่อตัวของโลก


ข้อมูลมากกว่านี้:
Peter L. Olson et al, Primordial Helium-3 การแลกเปลี่ยนระหว่างแกนกลางของโลกกับเสื้อคลุม ธรณีเคมี ธรณีฟิสิกส์ ธรณีระบบ (2022). ดอย: 10.1029/2021GC009985

ให้บริการโดยมหาวิทยาลัยนิวเม็กซิโก

การอ้างอิง: งานวิจัยใหม่ให้ข้อมูลเชิงลึกที่เป็นไปได้เกี่ยวกับการก่อตัวของโลก (2022, 7 พฤษภาคม) ที่ดึงมา 7 พฤษภาคม 2022 จาก https://phys.org/news/2022-05-insights-formation-earth.html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*