CHEMBE ZILIZO CHINI KABISA YA JOHO LA DUNIA NI KUBWA KIASI GANI?

Chini kabisa ya Afrika na Bahari ya Pasifiki, kwenye sehemu ya chini ya joho la Dunia (mantle), mawimbi ya mitetemeko hupunguza kasi katika maeneo mawili makubwa mno yanayojulikana kama majimbo makubwa ya kasi ndogo ya mawimbi ya mkato (large low shear-velocity provinces, LLSVPs). Yanainuka zaidi ya km 1,000 juu ya mpaka na kiini na kufunika karibu robo ya eneo lake. Kama yana joto zaidi, yana kemia tofauti, au yote mawili, bado kunabishaniwa. Tafiti za kufifia kwa mawimbi ya mitetemeko zinadokeza kwamba yameundwa kwa chembe kubwa, yakizungukwa na joho lenye chembe ndogo zaidi.

Kiungo kimoja kinachowezekana ni davemaoite, silikati ya kalsiamu katika muundo wa perovskite, madini ya tatu kwa wingi katika joho la chini: takriban 10% ya pyrolite, kielelezo cha kawaida cha mwamba wa joho, na hadi 25% ya bazalti iliyozama chini (subducted).

Kitendawili cha asilimia thelathini

Davemaoite ni gumu kuchunguza. Haliwezi kuletwa juu likiwa zima — hubadilisha muundo linapopoa na kugeuka kama kioo shinikizo linaposhuka — kwa hiyo unyumbufu wake lazima upimwe kwenye shinikizo na joto la juu. Na huko, kwa miongo kadhaa, nadharia na majaribio vimetofautiana: hesabu za kwantumu zinatabiri moduli ya mkato iliyo juu kwa takriban 30% kuliko iliyopimwa. Kwa madini mengi ya joho, viwili hivyo vinakubaliana kwa karibu.

Peiyu Zhang, Liang Yuan na wenzao katika Chuo Kikuu cha Jiosayansi cha China huko Wuhan, Chuo Kikuu cha Bayreuth nchini Ujerumani na Chuo Kikuu cha Michigan waliwashuku sampuli. Kila kipimo cha maabara kilitumia fuwele-nyingi (polycrystals) zilizotengenezwa kutokana na kioo, zenye chembe za makumi machache tu ya nanomita — kwa hiyo mipaka mingi sana ya chembe. Matabaka membamba yasiyo na mpangilio kwenye mipaka hiyo, au kioo kilichobaki, yangeonekana kwa shida katika mtawanyiko wa eksirei lakini bado yangeweza kulainisha nyenzo.

Mamilioni ya atomi

Ili kupima hili, timu ilifunza kielelezo cha ujifunzaji wa mashine cha nguvu kati ya atomi kwa hesabu za kwantumu zinazohusu gigapaskali 0–100 na kelvini 0–6,000, sahihi kiasi cha kutosha kuiga mifumo mikubwa mno. Kwanza walihakiki mambo ya msingi: katika joho la chini, davemaoite kwa wastani lina muundo wa mchemraba. Fuwele moja kamilifu ya atomi 20,480 bado ilitoa kasi ya mawimbi ya mkato iliyozidi ya majaribio kwa zaidi ya 10% — kwa hiyo si ukubwa wa uigaji wala badiliko la awamu lililo karibu lililoeleza pengo hilo.

Kisha walijenga visanduku vyenye upana wa takriban nanomita 30 vyenye chembe 15, 120 au 480 zilizoelekezwa kiholela, hadi atomi milioni 3.4, kwenye gigapaskali 50 na kelvini 2,142. Kadiri chembe zilivyo ndogo, ndivyo sehemu isiyo na mpangilio inavyokuwa kubwa: 1.8, 3.5 na 5.8% kwa ujazo.

Vurugu kidogo, ulainikaji mkubwa

Kati ya fuwele kamilifu na sampuli ya chembe 480:

moduli ya mkato ilishuka kwa 37% (kutoka gigapaskali 213 hadi 136);
moduli ya ujazo ilishuka kwa 12% tu;
kasi ya mawimbi ya mkato ilishuka kwa 19.3%, kasi ya mawimbi ya mgandamizo kwa 10.6%.

Kwa hiyo asilimia chache za vurugu kwenye mipaka ya chembe zinatosha kuifanya nadharia ilingane na majaribio. Mifumo ya eksirei iliyoigwa inabadilika kwa shida katika kiwango hichohicho, ndiyo maana wanaofanya majaribio hawakuweza kuiona. Fuwele-nyingi hii hutenda kama mpangilio laini zaidi unaoruhusiwa na fizikia: ugumu wake huamuliwa na mtandao uliounganika wa mipaka inayopindika kwa urahisi.

Kiwango cha chini cha ukubwa wa chembe

Davemaoite lililolainika likiingizwa katika vielelezo vya mwamba wa joho, linazalisha saini inayofanana na LLSVP katika nyenzo zenye bazalti nyingi: mawimbi ya mkato polepole kwa 6.2% kuliko pyrolite, mawimbi ya mgandamizo polepole kwa 1.9% tu. Waandishi wanasisitiza kwamba hili linaonyesha utaratibu, si kwamba chembe ndogo hivyo zipo huko chini.

Uhusiano huo ukigeuzwa, unatoa kikwazo. Sehemu isiyo na mpangilio inalingana takriban na upana wa mpaka (karibu nanomita 1) ukigawanywa kwa ukubwa wa chembe. Ili kudumisha hitilafu ndogo za mawimbi ya mgandamizo zinazoonekana katika LLSVPs, sehemu hiyo lazima ibaki chini ya takriban 1%, kwa hiyo chembe lazima ziwe na upana wa angalau takriban nanomita 100. Kiwango hiki cha chini kinakubaliana na vielelezo vya ukuaji wa chembe katika joho linalozunguka kwa mkondo (convection) na ushahidi wa mitetemeko kwamba LLSVPs zina chembe kubwa.

Uigaji unatumia silikati ya kalsiamu safi, ilhali davemaoite asilia lina sodiamu, potasiamu, chuma, alumini na titani, na chembe za uigaji ni ndogo mno kuliko chembe halisi za joho. Timu inapendekeza njia tatu za maabara — mtawanyiko kamili wa eksirei, upigaji picha wa Raman na uchoraji ramani wa kemikali wa mipaka kwa kiwango cha nano — ili hatimaye kupima ni vurugu kiasi gani imejificha katika sampuli ambazo zimekuwa zikiamua namba hizo.