地球の内部冷却「予想よりはるかに速い」

ETHチューリッヒの研究者は、研究室で、地球のコアとマントルの境界にある一般的な金属がどれほどうまく熱を伝導するかを示しました。 これにより、彼らは地球の熱が以前に考えられていたよりも早く放散しているのではないかと疑うようになります。

私たちの惑星の進化は涼しさの物語です。45億年前、若い地球の表面は極端な温度になり、マグマの深い海に覆われていました。 何百万年もの間、惑星の表面は冷えて、もろい地殻を形成しました。 しかし、地球の内部から放出される巨大な熱エネルギーは、マントル対流、プレートテクトニクス、火山活動などの動的なプロセスを推進します。

しかし、地球がどれだけ速く冷えるか、そしてこの継続的な冷却が上記の熱プロセスを停止するのにどれくらいの時間がかかるかについての質問は答えられないままです。

考えられる答えの1つは、地球のコアとマントルの境界を形成する鉱物の熱伝導率にある可能性があります。

この境界層は、地球のマントルの粘着性のある岩石が惑星の外核の鉄とニッケルの高温融解と直接接触している場所であるため、関連性があります。 2つの層の間の温度勾配は非常に急なので、ここには大量の熱が流れる可能性があります。 境界層は主に鉱物のブリッジマナイトで構成されています。 しかし、実験による検証は非常に難しいため、研究者はこの鉱物が地球のコアからマントルにどれだけの熱を通過するかを推定するのは困難です。

現在、カーネギー科学研究所の村上元彦教授らは、地球内部の圧力と温度の条件下で、実験室でブリッジマナイトの熱伝導率を測定できる高度な測定システムを開発しました。 測定には、パルスレーザー加熱ダイヤモンドユニットに新開発の吸光度測定システムを使用しました。

高圧および最高温度下でのブリッジマナイトの熱伝導率を測定するための測定装置。 クレジット：Murakami M、et al、2021より

「この測定システムにより、ブリッジマナイトの熱伝導率が想定の約1.5倍であることを示すことができます」と村上氏は言います。 これは、コアからマントルへの熱流束も以前に考えられていたよりも高いことを示しています。 熱の流れが大きくなると、マントル内の対流が増加し、地球の冷却が加速します。 これにより、マントル内の対流運動によって維持されるプレートテクトニクスの動きが、以前の熱伝導率の値に基づいて研究者が予想したよりも速く遅くなる可能性があります。

村上らはまた、マントルの急速な冷却がコアとマントルの境界での安定した鉱物相を変化させることを示しています。 それが冷えると、ブリッジマナイトは鉱物のポストペロブスカイトに変わります。 しかし、ポストペロブスカイトがコア-マントル境界に現れて支配し始めると、この鉱物はブリッジマナイトよりも効率的に熱を伝導するため、マントルの冷却が実際に加速する可能性があると研究者らは推定しています。

「私たちの結果は、地球のダイナミクスの進化に関する新しい視点を私たちに与えることができます。それらは、他の岩石惑星である水星と同様に、地球が 火星予想よりもはるかに速く冷却され、不活性になります」と村上氏は説明します。

しかし、彼は、例えば、マントル内の対流が停止するのにどれくらいの時間がかかるかを言うことはできません。 「これらのタイプのイベントについては、タイミングを決定するのに十分な知識がありません。」 最初にそうするためには、対流が時空のマントルでどのように機能するかをよりよく理解する必要があります。 さらに、科学者は、主要な熱源の1つである地球内部の放射性元素の崩壊がマントルのダイナミクスにどのように影響するかを明らかにする必要があります。

参考：「地球の熱進化に影響を与えるコア-マントル境界での単結晶ブリッジマナイトの放射熱伝導率」、村上元彦、アレクサンダーF.ゴンチャロフ、宮島信義、山崎大輔、ニコラスホルトグローブ、2021年12月8日 地球惑星科学の手紙。
DOI：10.1016 / j.epsl.2021.117329