地球内部的冷却速度比预期的要快

苏黎世联邦理工学院的研究人员在实验室中展示了一种常见于地核和地幔边界的矿物的导热性能。这使他们怀疑地球的热量可能会比以前认为的更快消散。

我们地球的演化是它冷却的故事：45 亿年前，年轻的地球表面普遍存在极端温度，它被岩浆的深海所覆盖。数百万年来，地球表面冷却形成脆性地壳。然而，来自地球内部的巨大热能使动力过程发生了变化，例如地幔对流、板块构造和火山作用。

然而，仍然没有答案的问题是地球冷却的速度有多快，以及这种持续的冷却需要多长时间才能使上述热驱动过程停止。

一个可能的答案可能在于形成地核和地幔之间边界的矿物的热导率。

这个边界层是相关的，因为正是在这里，地幔的粘性岩石与行星外核的热铁镍熔体直接接触。两层之间的温度梯度非常陡峭，因此这里可能有大量热量流动。边界层主要由矿物布氏石形成。然而，研究人员很难估计这种矿物从地核传导到地幔的热量有多少，因为实验验证非常困难。

现在，来自卡内基科学研究所的 ETH 教授 Motohiko Murakami 和他的同事们开发了一个复杂的测量系统，使他们能够在实验室中，在地球内部普遍存在的压力和温度条件下测量布里奇曼岩的热导率。对于测量，他们在用脉冲激光加热的金刚石单元中使用了最近开发的光学吸收测量系统。

“这个测量系统让我们证明了 Bridgmanite 的热导率比假设的高约 1.5 倍，”村上说。这表明从地核到地幔的热流也比以前认为的要高。反过来，更大的热流会增加地幔对流并加速地球的冷却。这可能会导致板块构造(通过地幔的对流运动持续进行)减速比研究人员根据之前的热传导值所预期的要快。

Murakami 和他的同事们还表明，地幔的快速冷却将改变核心-地幔边界处的稳定矿物相。当它冷却时，布里奇曼石变成矿物后钙钛矿。但研究人员估计，一旦后钙钛矿出现在核-地幔边界并开始占主导地位，地幔的冷却可能确实会进一步加速，因为这种矿物比布里奇曼岩更有效地导热。

“我们的结果可以让我们对地球动力学的演变有了新的认识。他们表明，地球与其他岩石行星水星和火星一样，正在冷却并变得比预期的要快得多，”村上解释说。

然而，他不能说需要多长时间，例如，地幔中的对流停止。“我们对这类事件的了解还不够，无法确定它们的时间。” 要做到这一点，首先需要更好地理解地幔对流在空间和时间方面的作用。此外，科学家们需要阐明地球内部的放射性元素(主要的热源之一)的衰变如何影响地幔的动力学。

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