La temperatura è difficile da misurare, soprattutto negli esperimenti di compressione d'urto. Una grande sfida è tenere conto del trasporto termico, il flusso di energia sotto forma di calore.

Per comprendere meglio questa sfida, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno adottato importanti misure per dimostrare che la conduzione termica è importante e misurabile in condizioni di alta pressione e temperatura in questi tipi di esperimenti, secondo un articolo recentemente pubblicato nel Rivista di fisica applicata . Gli autori del documento sono David Brantley, Ryan Crum e Minta Akin.

"Abbiamo bisogno di misurazioni della temperatura migliori perché comprendere il comportamento ad alta temperatura e pressione dei materiali planetari di tipo roccioso è la chiave per sviluppare modelli migliori della Terra e di altri esopianeti terrestri, " ha detto David Brantley, Fisico LLNL e autore principale dell'articolo.

Brantley ha detto che a seconda di come il ferro conduce il calore alla pressione e alle temperature del nucleo terrestre, il nucleo interno solido del pianeta potrebbe avere da 500 milioni a diversi miliardi di anni.

"Grandi incertezze nelle temperature misurate del ferro nelle condizioni centrali della Terra rendono difficile limitare con precisione il profilo della temperatura del pianeta, " ha detto. "Queste incertezze non sono state prese in considerazione nelle precedenti misurazioni della temperatura, e abbiamo scoperto che possono influenzare significativamente i risultati precedenti".

Per descrivere qualsiasi materiale, i ricercatori hanno bisogno dell'equazione di stato, che può essere descritto in molti modi, ma il più comune è la pressione, volume e temperatura.

"Le equazioni di stato determinate sperimentalmente e ben vincolate sono fondamentali per la capacità predittiva e la quantificazione dell'incertezza dei calcoli da idrocodici, "Brantley ha detto. "Nel fornire incertezze realistiche delle temperature di shock misurate, forniamo una migliore gestione dell'incertezza intrinseca nelle nostre equazioni di stato."

Brantley ha affermato che il team ha quantificato le maggiori fonti di incertezza della temperatura d'urto e ha fornito un chiaro percorso per ridurre significativamente l'incertezza complessiva della temperatura.

"Come comunità, siamo diventati abbastanza bravi a misurare la pressione e il volume, la temperatura, Non così tanto, che ci lascia con un'equazione di stato incompleta. Le equazioni di stato sono usate nei modelli, ma se sono incompleti, anche il modello lo sarà".

A causa dei tempi brevi degli esperimenti di compressione d'urto, che durano meno di 1 milionesimo di secondo, la temperatura viene tipicamente misurata raccogliendo la luce emessa dal campione caldo tramite pirometria ottica. Per materiali opachi come ferro, la luce viene raccolta solo dalla superficie del campione. Simile a come il manico di una pentola è più freddo della superficie di cottura, la superficie del campione è tipicamente più fredda dell'interno. Però, la temperatura interna o di massa è necessaria per l'equazione di stato. La principale fonte di incertezza nelle misurazioni della temperatura d'urto deriva dall'inferenza della temperatura interna dalla luce emessa dalla superficie.

La differenza tra la temperatura della superficie e della massa dipende da quanto bene il calore conduce attraverso il campione, come la conduttività termica. L'incertezza della misurazione della temperatura d'urto mediante pirometria dipende dall'incertezza nella conduttività termica del campione alle condizioni sperimentali di alta pressione e temperatura, tra l'altro. La migliore precisione nelle misurazioni della conducibilità termica ad alta temperatura e pressione migliora anche la precisione nella misurazione della temperatura d'urto.

A pressioni e temperature inferiori al limite del nucleo interno della Terra, le misurazioni della temperatura d'urto forniscono un vitale controllo incrociato con altri metodi. Le pressioni e le temperature ottenibili negli esperimenti d'urto vanno ben oltre la gamma di altri metodi, e gli esperimenti sugli shock attualmente forniscono l'unico mezzo affidabile per raggiungere pressioni e temperature simili all'interno dei pianeti della super-Terra e dei giganti gassosi.

Il team di ricerca conduce il lavoro in quattro esperimenti

Per condurre i lavori, i ricercatori hanno eseguito quattro esperimenti progettati per vincolare la conduzione termica alla tipica scala temporale degli esperimenti di compressione d'urto.

La squadra ha preso due campioni di latta e due di ferro, sputtering rivestito con uno spessore di 5 micrometri su finestre al fluoruro di litio (LiF), che sono stati poi posti a contatto con piastre di base in ferro dello spessore di circa 2 millimetri. La piastra di base fungeva da dissipatore di calore per i campioni di stagno più caldi. Poiché la piastra di base era molto più fredda dello stagno, la temperatura dello stagno dovrebbe essere scesa, come è stato osservato negli esperimenti. Le temperature del campione di ferro corrispondevano approssimativamente alla temperatura della piastra di base per gli esperimenti del campione di ferro, quindi ci si aspettava che la temperatura del ferro si equilibrasse.

Le simulazioni hanno mostrato che la temperatura della piastra di base del ferro avrebbe potuto essere più calda del previsto più vicina al campione. Poiché il ferro conduce il calore meno facilmente dello stagno, non ci si aspettava che il cambiamento di temperatura si osservasse (all'interfaccia) fino a molto più tardi nell'esperimento. Poiché questa variazione di temperatura non è stata osservata, ha stabilito un limite superiore sulla conducibilità termica del ferro.

I quattro gruppi bersaglio sono stati sottoposti a shock in serie a condizioni sperimentali utilizzando impattatori a piastre di rame presso l'impianto di cannoni a gas leggero JASPER di LLNL. La pirometria ottica ad alta precisione è stata utilizzata per determinare le temperature dell'interfaccia della finestra del campione, e Photon Doppler Velocimetry (PDV) è stata utilizzata per confermare la pressione insieme a simulazioni idrodinamiche.

Le finestre LiF servivano a mantenere condizioni di alta pressione e temperatura e fornivano un mezzo trasparente per raccogliere la luce dalla superficie del campione. È stato scelto lo stagno poiché è molto più caldo dei campioni di ferro a pressioni ringdown simili nella finestra LiF.

"La temperatura LiF non è ben nota, quindi, scioccando i bersagli di stagno e ferro a pressioni simili nella finestra LiF, otteniamo temperature della finestra comparabili per i diversi obiettivi, " ha detto Brantley.

La piastra di base in ferro fungeva da dissipatore di calore per i campioni di stagno più caldi, che erano sufficientemente sottili da consentire un significativo trasporto termico diffusivo. I campioni di ferro sono serviti come cronologia della temperatura di base per testare l'equilibrio delle temperature dei campioni di stagno osservate.

I risultati sono duplici

Brantley ha affermato che nel lavoro sono stati riportati due importanti risultati. Primo, un confronto tra la temperatura dell'interfaccia dello stagno osservata e la temperatura dell'interfaccia del ferro vicino all'equilibrio ha permesso al team di limitare la scala temporale caratteristica del rilassamento termico.

"Questa osservazione apre la possibilità di un nuovo tipo di piattaforma sperimentale per determinare i parametri di trasporto termico del campione negli esperimenti di compressione d'urto utilizzando la cronologia relativa della temperatura del campione, "Brantley ha detto. "Un tale progetto di piattaforma potrebbe essere messo in campo in qualsiasi struttura di compressione dinamica in grado di ospitare più sistemi di pirometria".

La seconda scoperta importante è stata l'importanza di limitare la sistematica per ottenere risultati di temperatura accurati. Si è scoperto che gli effetti sistematici variano in direzione con una grandezza uguale o maggiore dell'incertezza sperimentale. Per di più, queste sistematiche erano dipendenti dal modello, il che significa che solo la scelta del modello può influire sulla temperatura di massa. È di vitale importanza che i risultati finali della temperatura siano corretti per i contributi sistematici più significativi, la ricerca ha mostrato.