Quá trình tiến hóa của Trái đất là câu chuyện chuyện dài: 4,5 tỷ năm trước, nhiệt độ cực đoan phổ biến trên bề mặt Trái đất non trẻ khi một đại dương magma bao phủ bề mặt của nó. Trải qua hàng triệu năm, bề mặt hành tinh của chúng ta nguội đi và tạo thành một lớp vỏ mỏng…
Chúng ta biết rằng năng lượng nhiệt khổng lồ phát ra từ bên trong Trái đất vẫn duy trì các quá trình động lực học, chẳng hạn như đối lưu lớp phủ, kiến tạo mảng và núi lửa. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa có câu trả lời cho những câu hỏi về việc Trái đất nguội đi nhanh như thế nào và có thể mất bao lâu để quá trình làm mát liên tục này dừng lại.
Câu trả lời khả dĩ cho các câu hỏi nêu trên có thể nằm ở tính dẫn nhiệt của các khoáng chất tạo nên ranh giới giữa lõi và lớp phủ của Trái đất.
Lớp ranh giới này được hình thành chủ yếu từ khoáng vật bridgmanite, một hợp chất silicate-perovskite. Nó có liên quan bởi vì tại đây, đá nhớt của lớp phủ Trái đất tiếp xúc trực tiếp với sắt-niken nóng chảy của lõi bên ngoài hành tinh. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai lớp rất lớn, vì vậy có khả năng rất nhiều nhiệt truyền ở đây. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu gặp khó khăn trong việc ước tính lượng nhiệt mà khoáng chất này truyền từ lõi Trái đất đến lớp phủ vì việc xác minh bằng thực nghiệm là rất khó khăn.
Giờ đây, Giáo sư Motohiko Murakami đến từ Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH) và các đồng nghiệp của ông từ Viện Khoa học Carnegie đã phát triển một hệ thống đo lường tinh vi cho phép họ đo độ dẫn nhiệt của bridgmanite trong phòng thí nghiệm, dưới các điều kiện áp suất và nhiệt độ giống như bên trong Trái đất. Đối với các phép đo, họ đã sử dụng một hệ thống đo hấp thụ quang học được phát triển gần đây trong một đơn vị kim cương được đốt nóng bằng tia laser xung.
Murakami nói: "Hệ thống đo lường này cho chúng tôi thấy rằng độ dẫn nhiệt của bridgmanite cao hơn khoảng 1,5 lần so với giả định". Điều này cho thấy rằng dòng nhiệt từ lõi vào lớp phủ cũng cao hơn so với suy nghĩ trước đây. Đến lượt mình, dòng nhiệt lớn hơn làm tăng đối lưu lớp phủ và tăng tốc độ nguội đi của Trái đất. Điều này có thể khiến quá trình kiến tạo mảng, vốn được duy trì bởi chuyển động đối lưu của lớp phủ, giảm tốc nhanh hơn so với dự kiến của các nhà nghiên cứu dựa trên các giá trị về độ dẫn nhiệt trước đây.
Murakami và các đồng nghiệp của ông cũng đã chỉ ra rằng việc lớp phủ nguội nhanh sẽ làm thay đổi các pha ổn định của khoáng chất ở ranh giới lõi-lớp phủ. Sau khi nguội đi, bridgmanite biến thành khoáng chất hậu perovskite, một pha áp suất cao của magiê silicat. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng ngay khi hậu perovskite xuất hiện ở ranh giới lõi-lớp phủ và bắt đầu chiếm ưu thế, sự nguội đi của lớp phủ có thể còn tăng tốc hơn nữa vì khoáng chất này dẫn nhiệt thậm chí còn tốt hơn cả bridgmanite.
Murakami giải thích: "Kết quả của chúng tôi có thể cung cấp cho chúng ta một cái nhìn mới về sự tiến hóa về động lực học của Trái đất. Chúng cho thấy rằng Trái đất, giống như các hành tinh đá khác là sao Thủy và sao Hỏa, đang nguội đi và trở nên bất hoạt nhanh hơn nhiều so với dự kiến".
Tuy nhiên, Murakami không thể nói sẽ mất bao lâu để các sự kiện, chẳng hạn như dòng đối lưu trong lớp phủ dừng lại, ông nói: "Chúng tôi vẫn chưa biết đủ về những loại sự kiện này để xác định thời gian của chúng”. Để làm được điều đó, trước hết cần hiểu rõ hơn về sự vận động của đối lưu lớp phủ theo không gian và thời gian. Hơn nữa, các nhà khoa học cần làm rõ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ trong lòng Trái đất - một trong những nguồn nhiệt chính - ảnh hưởng đến động lực học của lớp phủ như thế nào.
Văn Thiện
