我們地球的演變是其冷卻的故事。45億年前，年輕的地球表面普遍存在極端的溫度，它被巖漿的深海所覆蓋。經(jīng)過數(shù)百萬年，地球的表面冷卻形成了一個脆性的地殼。然而，從地球內(nèi)部發(fā)出的巨大熱能使動態(tài)過程開始運動，如地幔對流、板塊構(gòu)造和火山活動。
然而仍沒有答案的問題是，地球冷卻的速度有多快，這種持續(xù)的冷卻可能需要多長時間才能使上述熱驅(qū)動的過程停止。
一個可能的答案可能在于形成地核和地幔之間邊界的礦物的導(dǎo)熱性。
這個邊界層是相關(guān)的，因為在那里，地球地幔的粘性巖石跟地球外核的熱鐵鎳熔體直接接觸。這兩層之間的溫度梯度非常陡峭，所以這里可能有大量的熱量流動。邊界層主要是由礦物bridgmanite形成。然而，研究人員很難估計這種礦物從地心向地幔傳導(dǎo)多少熱量，因為實驗驗證非常困難。
現(xiàn)在，ETH教授Motohiko Murakami和他來自卡內(nèi)基科學(xué)研究所的同事們已經(jīng)開發(fā)了一個復(fù)雜的測量系統(tǒng)，這使得他們能在實驗室里在地球內(nèi)部普遍存在的壓力和溫度條件下測量橋石的熱傳導(dǎo)率。為了進行測量，他們在一個用脈沖激光加熱的鉆石單元中使用了最近開發(fā)的光學(xué)吸收測量系統(tǒng)。
Murakami指出：“這個測量系統(tǒng)讓我們表明，bridgmanite的熱導(dǎo)率比假設(shè)的高約1.5倍?！边@表明，從地心進入地幔的熱流也比以前認為的要高。更大的熱流反過來增加了地幔對流，加速了地球的冷卻。這可能導(dǎo)致由地幔的對流運動保持的板塊構(gòu)造，這比研究人員根據(jù)以前的熱傳導(dǎo)值所預(yù)期的減速更快。
Murakami和他的同事還表明，地幔的快速冷卻將改變地核-地幔邊界的穩(wěn)定礦物相。當它冷卻時，bridgmanite變成了礦物后過氧化物。但研究人員估計，一旦后過氧化物出現(xiàn)在地核-地幔邊界并開始占主導(dǎo)地位，地幔的冷卻可能確實會進一步加快，因為這種礦物的導(dǎo)熱效率甚至比bridmanite更高。
“我們的結(jié)果可以給我們一個關(guān)于地球動態(tài)演變的新視角。它們表明，地球像其他巖石行星水星和火星一樣，正在冷卻并變得不活躍，比預(yù)期的快得多，”Murakami解釋道。
然而他無法說明這需要多長時間，例如，地幔中的對流要停止。而要做到這一點，首先需要更好地了解地幔對流在空間和時間方面是如何運作的。此外，科學(xué)家還需要搞清楚地球內(nèi)部放射性元素的衰變--熱量的主要來源之一--是如何影響地幔的動態(tài)的。
