La mayoría es consciente de que los electrones son partículas cargadas negativamente que rodean el núcleo de los átomos y cuyo comportamiento gobierna las interacciones químicas. Sin embargo, es menos conocido que los electrones vienen en dos tipos distintos: spin-up y spin-down. Y la tendenciaPara emparejar entre electrones de espín ascendente y descendente, formar "parejas de baile" entre sí, es uno de los comportamientos más importantes que afectan a las nubes de electrones que controlan la química de la naturaleza. Bajo presiones como las del interior de la Tierra, las órbitas en las quelos electrones se mueven se aprietan, la "pista de baile" cambia. Los pares de electrones a veces se ven obligados a cambiar su patrón de baile y la forma en que se asocian entre sí, dando lugar a lo que se denomina un "cruce de emparejamiento de espín de electrones" "cruce de espín"se utiliza a menudo como una expresión abreviada.
Se ha predicho durante mucho tiempo que este cruce de espín ocurrirá a presiones elevadas del manto medio ~ 1500 km de profundidad en un mineral llamado "ferro-periclasa" que se cree que es el segundo material más abundante en el manto rocoso de la Tierra.. Tales predicciones para un cruce de espín de ferropericlasa han sido ampliamente confirmadas, tanto por experimentos de laboratorio de alta presión como por modelos computacionales basados en la mecánica cuántica. Sin embargo, los efectos predichos de este cruce de espín escaparon a la detección sismológica, dejando a investigadores de la Tierra profundapreguntarse si las predicciones eran erróneas o si las condiciones en el manto suprimen la expresión sísmica.
Un nuevo artículo de investigación publicado en Comunicaciones de la naturaleza por un equipo de investigación internacional que incluye al profesor John W. Hernlund Instituto de Tecnología de Tokio del Earth-Life Science Institute ELSI y la profesora asistente especialmente designada de ELSI Christine Houser propone una firma sismológica única de este cruce de espín en ferropericlasa. La detección del equipoEl método se basa en el comportamiento variable del cruce de espín para las ondas P y las ondas S, dos tipos distintos de ondas sísmicas que se propagan a través de la Tierra. Los sismólogos utilizan ambas ondas generadas por terremotos y registradas en estaciones sismográficas globales paraproducir imágenes tomográficas del manto en un procedimiento que es aproximadamente análogo a una tomografía computarizada médica. Las imágenes revelan material que propaga estos dos tipos de ondas sísmicas más rápido o más lento que el promedio.
Las imágenes sísmicas de características de alta velocidad de onda obtenidas en las profundidades del manto medio muestran que las firmas de onda P de características prominentes sísmicamente rápidas se silencian en comparación con sus contrapartes de onda S. Resulta que precisamente este tipo de comportamiento esesperado para rocas que contienen cantidades plausibles de ferropericlasa en condiciones de manto medio y es causado por una combinación del volumen inducido del cruce de espín para disminuir, así como su ensanchamiento en un rango de presión más amplio a temperaturas más altas.
Animado por esta posible conexión, el equipo de investigación planteó la hipótesis de que si el cruce de espín explica este comportamiento en las características sísmicas rápidas en el manto medio, entonces también debería ocurrir para las características lentas a mayores profundidades debido a las características de la transición de espín enaltas temperaturas.Cuando buscaron esta firma en características lentas, nuevamente encontraron evidencia de un debilitamiento de las características de la onda P en relación con las contrapartes de la onda S en las mayores profundidades que predijeron.
El equipo de investigación luego tuvo que excluir la posibilidad de que estas señales en las imágenes sísmicas de ondas P y ondas S no se debieran simplemente a artefactos de resolución como diferencias en el comportamiento de estas ondas y la construcción de las imágenes correspondientes.Variedad de imágenes sísmicas producidas por diferentes grupos de investigación, la mayoría de ellos usando diferentes técnicas de imagen, y luego comparando las características con las que todos coincidieron.Este método de "mapa de votos" fue iniciado originalmente por la autora principal Grace Shephard de la Universidad de Oslo.Cuando calcularon y trazaron perfiles de la abundancia de características de ondas S y ondas P rápidas y lentas, el silenciamiento de características en los modelos de ondas P consistentes con el cruce de espín fue predominante e inconfundible.
Cuando se le preguntó cuál de las pruebas parecía brindar el mayor apoyo para la detección del cruce de giro, la coautora Christine Houser dijo que todas las pruebas deben considerarse juntas. Houser agregó que el "silenciamiento relativo de P-Las señales de onda a dos profundidades diferentes para anomalías rápidas y lentas es difícil de explicar como resultado de errores de imagen. Si bien no es imposible, sería una coincidencia poco probable que los modelos ensamblados con diferentes datos y métodos muestren consistentemente las mismas señales sísmicas queel cruce giratorio. "
Si bien la detección de la señal sísmica del cruce de espín de hierro revela regiones donde las placas oceánicas se elevan y se hunden en el manto profundo, un problema evidente sigue siendo la ausencia de la señal predicha en los perfiles sísmicos promediados globalmente del manto de la Tierra. Miembros del mismo equipoSe encontró anteriormente que esto no podía explicarse promediando los mismos tipos de materiales a diferentes temperaturas. En cambio, pueden ser necesarios cambios a gran escala en la composición química, como la presencia de regiones en el manto medio que contienen rocas que tienen poca ferropericlasa y, por lo tanto, no hay una firma visible de un cruce de espín. Un estudio anterior en el que participaron varios miembros de este equipo de investigación propuso la presencia de tales características en el manto medio, que anclan el patrón de convección del manto profundo de la Tierra y persisten sobremiles de millones de años debido a su alta resistencia. Llamaron a estas "Estructuras de manto antiguas enriquecidas con bridgmanita" o VIGAS la bridgmanita es la más abundantedant en la Tierra y también se cree que es el más fuerte, y se especuló que podrían ejercer un control fundamental sobre el patrón de movimientos de las placas tectónicas a lo largo de la historia de la Tierra.
La detección de cruce de espín en las regiones de velocidad de onda más rápida y más lenta del manto resalta otro efecto geofísico crítico. Las regiones rápidas consisten en un antiguo lecho de roca oceánica que se zambulló a través del manto en su viaje hacia el límite entre el núcleo y el manto. En contraste, las regiones lentas consisten enrocas calentadas por contacto con el núcleo de hierro fundido, que ascienden a la superficie como una lámpara de lava. Este proceso de convección recicla las rocas entre la superficie y el interior, impulsando la tectónica de placas. Identificación de la firma sismológica distintiva del cruce de espín en ferropericlasa en el mantomuestra que construir un puente entre la física de los materiales y la geofísica es fundamental para comprender la Tierra y los interiores planetarios. La firma sísmica única nos permite determinar qué partes del manto profundo de la Tierra contienen más o menos del mineral ferropericlasa, produciendo efectivamente mapas geológicos 4D y revelandoLa historia de la Tierra a través de la vasta extensión del interior profundo y el tiempo profundo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Tokio . Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.
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