Yeni modeller, Dünya’nın çekirdeğindeki egzotik bir hidrojen fazının nasıl davranabileceğine ışık tutuyor

Dünyanın çekirdeği çoğunlukla demirden oluşsa da yoğunluğu, hafif elementlerin de karıştığını gösteriyor. Hidrojen evrende bol miktarda bulunduğundan ve belirli koşullar altında demirle karışabildiğinden, bilim adamları onun daha hafif element bileşiminin bir parçasını oluşturduğundan şüpheleniyorlar. Depremlerden elde edilen veriler, çekirdeğin iç kısmının da derinlikle birlikte değiştiğini gösteriyor ancak bilim insanları bunun tam olarak nasıl gerçekleştiğinden emin değil. Şimdi ise yeni bir çalışma yayınlandı. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri hidrojenin muhtemelen iç ve dış çekirdekte termodinamik dengeden kaynaklanan bir gradyanda mevcut olduğunu gösterir.

Dünyanın çekirdeğindeki süperiyonik hidrojen

Hidrojen, Dünya’nın çekirdeğindeki yüksek sıcaklık, yüksek basınç koşulları gibi aşırı koşullar altında demire dönüşebilir. İç çekirdekte hidrojen süperiyonik hale gelebilir ve katı demir kristal yapısında neredeyse sıvı gibi hareket etmesine olanak tanıyabilir. Bu süperiyonik durum, geleneksel bir katı gibi davranmaz ve farklı fazların termodinamik özelliklerini etkileyebilir. İç çekirdeğin altıgen sıkı paket (hcp) kristal yapıya sahip olduğu düşünülüyor, ancak diğer elementler benzer koşullar altında vücut merkezli kübik (bcc) faza geçebiliyor.

Hidrojenin bir hcp kafesinde süperiyonik bir durumda var olduğuna inanılsa da, hidrojenin bir bcc kafesinde süperiyonik bir tür olarak da var olup olamayacağı açık değildir. Çalışmanın yazarları, hidrojenin iç çekirdekteki hcp ve bcc aşamaları arasındaki rekabeti nasıl etkileyebileceğinin de belirsiz olduğunu söylüyor. Ayrıca sıvı dış çekirdek ile katı iç çekirdek arasında hidrojen bolluğunun nasıl değişip değişmediği de açık değil. Önceki modelleme girişimleri çelişkili sonuçlar vermiştir.

Yeni çalışmanın yazarları şöyle yazıyor: “Bu simülasyonlarda farklı makine öğrenimi atomlar arası potansiyeller (MLP’ler) ve bölme katsayısının hesaplanması için farklı protokoller kullanıldığından, bu tutarsızlıkların kökeni belirsizdir. Bu tür tutarsızlıklar, çekirdekteki çok bileşenli Fe-hafif element alaşımları için kompozisyon modellerinin daha da geliştirilmesini engellemektedir.”

Hidrojenin radyal gradyanı

Çekirdekte neler olduğunu daha iyi anlamak amacıyla ekip, demir-hidrojen karışımlarının serbest enerjilerini hesaplamak için kuantum mekaniği simülasyonları kullandı ve iç çekirdekte bulunan basınç ve sıcaklıklarda katı, süperiyonik ve sıvı hallerini modelledi. Daha sonra bu sonuçları faz diyagramları oluşturmak ve iç çekirdek sınırından merkeze kadar olan hidrojen konsantrasyonlarını belirlemek için kullandılar.

Modeller, hidrojenin Dünya’nın iç ve dış çekirdeği arasındaki sınırın yakınında daha yoğun olduğunu ve gezegenin merkezine yaklaştıkça azaldığını gösterdi. 5.500 K temsili çekirdek sıcaklığında hidrojen, iç çekirdek sınırındaki atomik yüzde 16’dan merkezde yaklaşık %9’a düşer. Ayrıca hidrojenin katı ve sıvı demir fazlar arasındaki bölünmesinin sadece basınca değil, esas olarak sıcaklığın demirin erime noktasına ne kadar yakın olduğuna göre belirlendiğini, yani hidrojen gradyanının denge termodinamiğinin doğrudan bir sonucu olduğunu buldular.

Çalışmanın yazarları şöyle yazıyor: “Hesaplamalarımız, hidrojenin süperiyonik bir bcc fazını yeterince yüksek sıcaklıkta ve hidrojen içeriğinde stabilize edebildiğini gösteriyor. Bununla birlikte, erime bu stabilite alanının yerini alır, dolayısıyla Fe-H sistemindeki sıvı ile yalnızca süperiyonik hcp fazı bir arada bulunur. Farklı iç çekirdek basınçlarındaki süperiyonik-sıvı faz diyagramları, Fe’nin erime sıcaklığına göre ölçeklendiğinde çöker.”

Daha da önemlisi, önerilen ölçeklendirme ilişkisi daha önceki simülasyon sonuçlarının çoğunu uyumlu hale getiriyor ve mevcut daha düşük basınç deneyleriyle eşleşiyor. Ancak çalışma yalnızca demir-hidrojen sistemini modelliyor; oysa Dünya’nın çekirdeği neredeyse kesin olarak oksijen, silikon, karbon ve kükürt dahil olmak üzere birçok hafif element içeriyor. Gelecekteki çalışmalar, diğer muhtemel çekirdek elementlerin yanı sıra hidrojen içeren demir alaşımlarını da dahil ederek bu modelleri daha da geliştirebilir.