지구 내부 냉각 ‘예상보다 훨씬 빠름’

ETH Zurich의 연구원들은 실험실에서 지구의 핵과 맨틀 사이의 경계에 있는 일반 금속이 열을 얼마나 잘 전도하는지 보여주었습니다. 이것은 지구의 열이 이전에 생각했던 것보다 더 빨리 발산될 수 있다고 의심하게 만듭니다.

우리 행성의 진화는 차가움의 이야기입니다. 45억 년 전, 극한의 온도가 젊은 지구의 표면에 만연했고 그것은 깊은 마그마 바다로 덮여 있었습니다. 수백만 년 동안 행성의 표면은 냉각되어 부서지기 쉬운 지각을 형성했습니다. 그러나 지구 내부에서 발산되는 엄청난 열 에너지는 맨틀 대류, 판 구조론, 화산 활동과 같은 동적 과정을 주도합니다.

그러나 지구가 얼마나 빨리 식을 것인지, 이러한 지속적인 냉각이 위의 열적 과정을 멈추는 데 얼마나 걸릴지에 대한 질문은 아직 답이 없습니다.

한 가지 가능한 대답은 지구의 코어와 맨틀 사이의 경계를 형성하는 광물의 열전도율에 있을 수 있습니다.

이 경계층은 지구 맨틀의 끈적끈적한 암석이 행성의 외핵에서 철과 니켈의 뜨거운 용융과 직접 접촉하는 곳이기 때문에 관련이 있습니다. 두 층 사이의 온도 구배가 상당히 가파르기 때문에 여기에 많은 열이 흐를 가능성이 있습니다. 경계층은 주로 광물 브리지마나이트로 구성된다. 그러나 연구자들은 실험적 검증이 매우 어렵기 때문에 이 광물이 지구 핵에서 맨틀까지 전달하는 열의 양을 추정하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

이제 ETH의 Motohiko Murakami 교수와 Carnegie Institution for Science의 동료들은 지구 내부의 일반적인 압력과 온도 조건에서 실험실에서 브리지마나이트의 열전도율을 측정할 수 있는 정교한 측정 시스템을 개발했습니다. 측정을 위해 펄스 레이저 가열 다이아몬드 장치에서 새로 개발된 광 흡광도 측정 시스템을 사용했습니다.

고압 및 최고 온도에서 브리지마나이트의 열전도율을 측정하기 위한 측정 장치. 크레딧: Murakami M 외, 2021년

Murakami는 “이 측정 시스템을 통해 브리지마나이트의 열전도율이 가정한 것보다 약 1.5배 높다는 것을 보여줄 수 있습니다.”라고 말합니다. 이것은 코어에서 맨틀까지의 열유속도 이전에 생각했던 것보다 높다는 것을 나타냅니다. 더 큰 열 흐름은 차례로 맨틀의 대류를 증가시키고 지구의 냉각을 가속화합니다. 이로 인해 맨틀의 대류 운동에 의해 유지되는 판 구조론의 움직임이 연구자들이 이전 열전도율 값을 기반으로 예상했던 것보다 더 빠르게 느려질 수 있습니다.

Murakami와 동료들은 또한 맨틀의 급속한 냉각이 코어-맨틀 경계에서 안정적인 광물상을 변화시킬 것임을 보여줍니다. 냉각되면 브리지마나이트가 페로브스카이트 후광물로 변합니다. 그러나 페로브스카이트 이후가 코어-맨틀 경계에 나타나 지배하기 시작하면 맨틀의 냉각이 실제로 가속화될 수 있다고 연구원들은 추정합니다. 이 광물이 브리지마나이트보다 열을 더 효율적으로 전도하기 때문입니다.

“우리의 결과는 지구 역학의 진화에 대한 새로운 관점을 제공할 수 있습니다. 그들은 지구가 다른 암석 행성과 마찬가지로 수성과 화성예상보다 훨씬 빨리 냉각되고 불활성화됩니다.”라고 Murakami가 설명합니다.

그러나 예를 들어 맨틀의 대류 흐름이 멈추는 데 얼마나 걸릴지는 말할 수 없습니다. “우리는 아직 이러한 유형의 이벤트에 대해 타이밍을 결정할 만큼 충분히 알지 못합니다.” 그렇게 하려면 먼저 대류가 시공간의 맨틀에서 어떻게 작용하는지 더 잘 이해해야 합니다. 또한 과학자들은 주요 열원 중 하나인 지구 내부의 방사성 원소 붕괴가 맨틀의 역학에 어떤 영향을 미치는지 명확히 해야 합니다.

참조: Motohiko Murakami, Alexander F. Goncharov, Nobuyoshi Miyajima, Daisuke Yamazaki, Nicholas Holtgrove의 “코어 맨틀 경계에서 단결정 브리지마나이트의 복사 열전도율”, 2021년 12월 8일, 지구 및 행성 과학 편지.
DOI: 10.1016 / j.epsl.2021.117329