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Manto apto para microondas: Capa de física nuclear simulada, para ciencia

Imagen: © Johan Swanepoel | Shutterstock.com

SAN FRANCISCO - Los científicos han preparado un horno microondas y un espesante líquido hecho de alimentos y cosméticos para recrear el manto de la Tierra, la misteriosa capa intermedia del planeta.

El manto de la maqueta podría ayudar a los científicos a determinar si un grupo oculto de elementos radiactivos está produciendo calor en las profundidades interior de la Tierra , Angela Limare, física del Institut de Physique du Globe de Paris en Francia, dijo el martes 15 de diciembre aquí en la reunión anual de la Unión Geofísica Estadounidense.

"Parece que el manto superior está realmente agotado de elementos radiactivos", dijo Limare. "Si no están en el manto superior, deben estar en algún lugar debajo". [ En fotos: Océano escondido debajo de la superficie de la Tierra ]

manto misterioso

el manto de la Tierra es una masa fundida de preguntas sin respuesta. La capa rocosa entre el núcleo y la corteza constituye las cuatro quintas partes del planeta, pero es la porción menos comprendida. Porque comienza en cualquier lugar entre 5 millas 8 kilómetros y 20 millas 32km por debajo de la superficie del planeta y se extiende a unas 1.800 millas 2.900 km por debajo de la superficie de la Tierra, los científicos no pueden perforar lo suficientemente profundo para determinar de qué está hecho, cómo se distribuyen los elementos en el manto o exactamente cómo se mueve.a menudo utilizan un proceso llamado tomografía sísmica para enviar ondas sísmicas a través de la Tierra y luego analizar sus rutas de retorno para inferir su composición. Los vulcanólogos también pueden tomar muestras de los elementos en magma de los volcanes que rezuma de las plumas del manto en lo profundo de la Tierra, dijo Limare.

Una pregunta en particular ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. La Tierra genera alrededor de 46 teravatios de calor. Los científicos han calculado que alrededor de 8 teravatios provienen de la corteza continental que flota sobre el manto, mientras que la generación de calor desde el núcleo, que sostiene el campo magnético de la Tierra,aporta otros 10 a 16 teravatios. Esto significa que aproximadamente se genera la mitad del calor de la Tierra por la desintegración radiactiva de elementos en el manto.

El problema es que la tomografía sísmica sugiere que, a excepción de la parte superior e inferior del manto, los elementos radiactivos se esparcen uniformemente por todo el manto , y la concentración de esos elementos radiactivos parece ser demasiado baja para generar el calor restante, dijo Limare. Y en la parte inferior del manto, la tomografía sísmica detecta dos grandes regiones de material de movimiento lento que deben ser químicamente distintas delMientras tanto, el magma de los volcanes alimentados por las plumas del manto que llegan hasta las profundidades más bajas del manto puede mostrar diferentes composiciones químicas, incluso si los volcanes están separados por solo un puñado de millas, dijo. En total, eso sugierepodría haber material en la capa más interna del manto que sea muy diferente en composición del resto del manto.

Como resultado, algunos científicos han propuesto que un oculto depósito de elementos radiactivos acecha profundamente en el manto y produce el calor faltante. Si este reservorio oculto existe, debe ser muy estable y no debe mezclarse con el resto del manto en constante movimiento, porque de lo contrario, la tomografía sísmica lo habría detectado, Limaredijo.

Sin embargo, sin forma de probar experimentalmente esta noción, los geofísicos han tenido que discutir sus debates en una ráfaga de modelos, ecuaciones, teorías numéricas y simulaciones. [ Línea de tiempo de la foto: cómo se formó la Tierra ]

Nuke el manto

Entonces, Limare y sus colegas decidieron adoptar un enfoque más práctico. Simularon el manto usando una hoja de Natrosol derivado de celulosa que tenía un grosor de 11,8 por 11,8 por 2 pulgadas 30 por 30 por 5 cm. A primera vista, un líquido pequeño y viscoso puede parecer tener muy poco en común con 1.800 millas de roca arenosa que forman el manto.

Pero al calibrar cuidadosamente algunas de las propiedades del gel, como su profundidad, longitud, viscosidad y temperatura, los investigadores pueden crear un modelo reducido con propiedades de transporte de calor y fluidos muy similares a las del manto. El equipo de Limareusó el Natrosol porque es muy fácil variar su viscosidad agregando más o menos agua, mientras que el material se puede hacer más denso rociándolo con sal o menos denso diluyéndolo con alcohol. El material también facilita la creación de dos capas adyacentesdel "manto" con diferentes propiedades, dijo.

A continuación, los científicos imitaron la generación de calor interno extremadamente uniforme de los elementos radiactivos dentro del manto. Para eso, buscaron un electrodoméstico omnipresente: el horno de microondas. microondas entran y son absorbidos por los alimentos, y generan calor interno en el proceso.

"Así es como calentamos la comida; es exactamente el mismo proceso", dijo Limare a Rhythm89.

Por supuesto, ¿necesitamos siquiera decirlo? ¡No intentes esto en casa! El microondas de los investigadores puede haber comenzado como un horno comercial, pero ha sido eviscerado y engañado con modificaciones sofisticadas y de alta tecnología.desde termómetros de cristal líquido hasta láminas láser y elegantes cámaras que funcionan en dos rangos de longitud de onda diferentes.

“Lo único que queda de lo comercial es la caja externa y la puerta, porque la puerta está muy bien hecha”, dijo Limare.

En el experimento, los límites entre las capas de la Tierra no son exactamente fieles a la vida; el manto se frota contra el núcleo fundido y el fondo del corteza continental , pero la mezcla de Natrosol tuvo que colocarse en un recipiente de plexiglás para que no cayera en un charco en el fondo del microondas, dijo Limare.

estrechamiento en el depósito oculto

Aún así, el modelo ya ha proporcionado algunos conocimientos iniciales. Por ejemplo, cuando los investigadores modelaron un manto con un "depósito oculto" denso y de baja viscosidad, ríos de calor fluyeron desde la parte superior del manto hasta el fondo. SiEstos ríos de calor llegan lo suficientemente lejos en el manto, desestabilizarían un depósito oculto de elementos radiactivos que acechan en la parte inferior del manto. Por lo tanto, si existe un depósito oculto, probablemente no tendría densidad, espesor y otras características que crean unrégimen desestabilizado en el manto de la maqueta, dijeron los investigadores.

El manto apto para microondas es importante porque podría ayudar a los científicos a reducir el rango de condiciones que podrían existir en un depósito oculto de elementos radiactivos , dijo Gaël Choblet, investigador del interior planetario en el CNRS Centre national de la recherche scientifique y la Universidad de Nantes en Francia, que no participó en el estudio actual.

La nueva técnica es novedosa porque es la primera vez que los científicos producen un calentamiento interno extremadamente uniforme en un material viscoso que puede imitar el manto, dijo Choblet a Rhythm89.

Aunque es poco probable que los nuevos resultados por sí solos resuelvan el misterio del reservorio oculto, "siempre es muy bueno comparar experimentos de laboratorio y modelos numéricos", dijo Choblet. "La comparación suele ser bastante fructífera".

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