با چرخش جدیدی بر روی یک تکنیک قدیمی، دکتر آن ام. هافمایستر، استاد پژوهشگر زمین و علوم سیاره ای در هنر و علوم در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، درک دانشمندان از گرما را متحول کرده است. انتقال در پوسته زمین، بیرونی ترین پوسته جامد سیاره ما.
دما محرک مهم بسیاری از فرآیندهای زمین شناسی است، از جمله تولید ماگما (سنگ های مذاب) در عمیق ترین قسمت های پوسته زمین، در حدود 30 تا 40 کیلومتر زیر سطح. با این حال، تا همین اواخر، درجه حرارت در اعماق پوسته زمین نامشخص بود، عمدتاً به دلیل مشکلات مربوط به اندازه‌گیری رسانایی گرمایی، یا اینکه چقدر گرما از میان سنگ‌هایی که پوسته را تشکیل می‌دهند، جریان دارد.
در روش‌های مرسوم اندازه‌گیری هدایت حرارتی، با نزدیک شدن دمای سنگ به نقطه ذوب، خطاهای اندازه‌گیری به وجود می‌آیند. در چنین دماهای بالایی، گرما فقط از طریق ارتعاشات از اتمی به اتم دیگر منتقل نمی شود، بلکه توسط تابش (نور) نیز منتقل می شود. از آنجایی که روش‌های مرسوم نمی‌توانند جریان گرمایی منتقل شده توسط ارتعاشات را از ارتعاشات مرتبط با تشعشع جدا کنند، بیشتر اندازه‌گیری‌هایی که سنگ‌ها چگونه گرما را در دماهای بالا انتقال می‌دهند بیش از حد برآورد شده است. به دلیل این عدم قطعیت تجربی، دانشمندان رسانایی سنگ را در سراسر پوسته ثابت فرض کرده‌اند تا در مدل‌هایی که رفتار زمین‌شناسی زمین را توصیف می‌کنند، پیشرفت کنند.
تجزیه و تحلیل فلاش لیزری
با استفاده از یک لیزر صنعتی که معمولاً برای جوشکاری فولاد استفاده می شود، Hofmeister توانست مشکلاتی را که در روش های قدیمی تر وجود داشت دور بزند. تاسیسات او در WUSTL برای اولین بار در جهان از چنین لیزری برای تحقیقات علوم زمین استفاده می کند.
تکنیک او، آنالیز فلاش لیزری، داده های بسیار دقیق تری را در مورد انتقال گرما از طریق سنگ ها نسبت به روش های معمولی ارائه می دهد. در تجزیه و تحلیل فلاش لیزری، یک نمونه سنگ در دمای معینی نگهداری می شود و سپس تحت یک پالس لیزری گرما قرار می گیرد و به هافمایستر اجازه می دهد تا زمان لازم برای انتقال گرما از یک سر نمونه به سر دیگر را اندازه گیری کند. این اندازه‌گیری نفوذ حرارتی، یا سرعت جریان گرما در ماده، راه دیگری برای توصیف رسانایی حرارتی سنگ است.
از آنجایی که اندازه‌گیری انتقال گرما در پوسته غیرممکن است، هافمایستر از لیزر برای اندازه‌گیری انتقال گرما در نمونه‌های سنگ منفرد در دماهای مختلف استفاده کرد و سپس میانگین بین نمونه‌ها را برای نشان دادن پویایی پوسته اندازه‌گیری کرد. هافمایستر با همکاری محققان دانشگاه میسوری - کلمبیا، پیتر آی. نابلک، دکترا، استاد علوم زمین شناسی، و آلن جی ویتینتون، دکترای علوم زمین شناسی، استادیار علوم زمین شناسی، از یافته های خود برای توضیح استفاده کرد. پدیده های زمین شناسی مشاهده شده در محیط.
نتایج که در 19 مارس 2009 در Nature منتشر شد، نشان می دهد که رسانایی سنگ همانطور که قبلاً فرض می شد ثابت نیست، اما در عوض به شدت با دما تغییر می کند. هافمایستر توضیح می‌دهد، "تحلیل ما نشان می‌دهد که سنگ‌ها در انتقال گرما در دماهای پایین کارآمدتر از آنچه قبلا تصور می‌شد، کارآمدتر هستند و در دماهای بالا کارایی کمتری دارند. فرآیند حرکت گرما در اطراف واقعاً به دمای سنگ‌ها بستگی دارد."
Hofmeister و همکارانش دریافتند که رسانایی سنگ‌ها در پوسته پایین‌تر، جایی که دمای خارجی بسیار بالاست، بسیار کمتر - تا ۵۰ درصد - از پیش‌بینی‌شده با روش‌های مرسوم است. این نتایج همچنین نشان می دهد که پوسته پایینی ممکن است بسیار داغتر از آنچه دانشمندان قبلاً تشخیص داده بودند باشد. از آنجایی که سنگ‌ها در دماهای بالا عایق‌های بهتر و هادی‌های ضعیف‌تری می‌شوند، پوسته پایین‌تر مانند پتویی روی گوشته مولد گرما، لایه زیر پوسته عمل می‌کند.
دستگاه ماگما
مشاهده ای که پوسته پایینی عایق حرارتی خوبی است، پیامدهای گسترده ای برای درک دانشمندان از فرآیندهای زمین شناسی اساسی مانند تولید ماگما دارد.
Hofmeister توضیح می دهد، "روش های جدید درک ما را از نحوه انتقال گرما در محیط های زمین شناسی تغییر می دهد. این مربوط به مکان هایی است که ماگماها را پیدا می کنید، جایی که سنگ های دگرگونی می پزند، و جایی که گدازه ها روی پشته های اقیانوس تشکیل می شوند."
او و همکارانش از داده های جدید وابسته به دما برای اطلاع رسانی به مدل های کامپیوتری استفاده کردند که پیامدهای دفن و گرم شدن سنگ ها را در طول تشکیل کمربند کوهستانی، همانطور که در هیمالیاهای امروزی رخ می دهد، پیش بینی می کنند. در حالی که مدل‌های قبلی برای توضیح ذوب پوسته در هیمالیا بر فرآیندهای خارق‌العاده‌ای مانند سطوح بالای رادیواکتیویته تکیه می‌کردند، کار هافمایستر و همکارانش نشان می‌دهد که خواص حرارتی خود سنگ‌ها ممکن است برای تولید ماگما کافی باشد.
به ویژه، آنها دریافتند که گرمایش کرنش یا اصطکاک ناشی از تشکیل کمربند کوهی می تواند باعث ذوب پوسته شود. از آنجایی که پوسته پایینی عایق حرارتی خوبی است، گرمایش کرنش بسیار سریع‌تر، کارآمدتر و پایدارتر از آنچه قبلاً تشخیص داده شده بود، انجام می‌شود.
هافمایستر توضیح می‌دهد: "مذاب عایق‌تر از سنگ است، هنگامی که سنگ‌ها ذوب می‌شوند، نفوذ حرارتی کاهش می‌یابد، که سرد کردن سنگ‌ها را سخت‌تر می‌کند. آنها برای مدت طولانی‌تری گرم می‌مانند و پتانسیل وجود دارد که سنگ‌ها ذوب شوند. ذوب شدن بیشتر."
طبق گفته هافمایستر، وضعیت هیمالیا که در این مطالعه توضیح داده شده است احتمالا منحصر به فرد نیست. از آنجایی که انتقال گرما یک محرک مهم است، بسیاری از مدل‌های رفتار زمین‌شناسی زمین باید با توجه به یافته‌های هافمایستر و همکارانش مورد بازبینی قرار گیرند.
این پیشرفت هافمایستر را بسیار به تحقق آنچه که او به عنوان هدف شغلی مادام العمر خود توصیف می کند، نزدیکتر می کند.او می‌گوید: "هدف بیشتر دوران حرفه‌ای من تعیین دمای داخل زمین بوده است. این وابستگی به زمان است، مدت زمانی که گرما از میان سنگ‌ها جریان می‌یابد، به ما می‌گوید که فضای داخلی چقدر گرم است."
طبق گفته هافمایستر، درک دمای داخلی زمین اولین قدم برای درک تکامل حرارتی زمین است.
