Če bi vso Zemljo stalili, bi imela enako povprečno sestavo kot meteoriti

Bojan Ambrožič
1. oktober 2015

Po diplomi o meteoritu Jesenice sem si za temo magistrske naloge spet izbral področje znanosti o meteoritih. Sliši se preprosto, vendar je bil eden težjih delov naloge zastaviti si dosegljiv in doslej še ne raziskan znanstveni cilj. O temi naloge sem začel razmišljati že zelo kmalu po diplomi, v začetku leta 2014. Zelo dolgo nisem našel pravega cilja, ki bi ustrezal mojemu področju raziskav in raziskovalni opremi, ki jo imam na voljo. V tem času sem opravil kar veliko ur znanstvenoraziskovalnega dela na meteoritih. Vendar te raziskave niso obrodile pravih sadov, ker niso imele dobro zastavljenega cilja.

Potem pa sem septembra 2014 odpotoval na študijsko izmenjavo v Turčijo. O tej izkušnji sem že podrobneje pisal. A vseeno lahko povzamem, da sem tam imel zelo veliko prostega časa, ki ga iz objektivnih razlogov nisem mogel izkoristiti za običajne izlete v naravo in hribe, ker je bilo bivanje v kampusu podobno bivanju v velikem zaporu. Zato sem izkoristil čas tako, da sem dneve in noči intenzivno bral znanstvene članke o meteoritih. Prebral sem jih več kot sto. Potem pa sem po naključju končno naletel na članek o neki udarni žili v meteoritu. Takrat pa je nastopil trenutek “Hevreka!” Točno isto stvar, ki je bila opisana v članku, sem prejšnji dan videl v meteoritu Jezersko, ko sem ga preiskoval z močnim vrstičnim elektronskim mikroskopom, pa takrat še nisem vedel kaj je to. Podrobnejši literaturni pregled mi je razkril, da je bilo na tem področju na svetovnem merilu narejeno zelo malo raziskav. Torej, končno sem našel tisto, kar sem iskal.

Od takrat dalje je trajalo še skorajda leto dni, da sem magistriral. V tem času sem v treh različnih državah in na štirih inštitutih opravil na tisoče ur raziskovalnega dela. Seveda mi je bilo samo delo v veliko veselje. Kar nekajkrat se mi je vmes zataknilo in sem z raziskavami zašel v slepo ulico. Vendar v raziskovalni skupini, kjer delam, to ni bilo težava. Izjemno podporo sem imel s strani mentorja izr. prof. dr. Saša Šturma in mentorice doc. dr. Mirijam Vrabec. Zahvala pa gre tudi moji mentorici na fakulteti, prof. dr. Bredi Mirtič. Podpora je bila zelo pomembna, saj sem pri raziskavah uporabljal zelo drago, najsodobnejšo znanstvenoraziskovalno opremo in sicer kar devet različnih elektronskih mikroskopov. Med drugim tudi presevni elektronski mikroskop JEOL JEM-ARM200F (na Kemijskem Inštitutu), ki trenutno sodi med najboljše elektronske mikroskope na svetu. Z njegovo pomočjo smo vzorce meteoritov lahko rutinsko preiskovali na atomskem nivoju.

V preiskavah meteoritov smo uporabljali naslednje tehnike: vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM), presevno elektronsko mikroskopijo (TEM), energijsko disperzijsko spektroskopijo rentgenskih žarkov (EDS), valovno-disperzijsko spektroskopijo rentgenskih žarkov (WDS), tehniko uklona povratno sipanih elektronov (EBSD), tehniko fokusiranega ionskega curka (FIB) in rentgensko praškovno difrakcijo (XRD). Tehnika FIB je bila v okviru teh raziskav celo prvič uporabljena za namene geoloških raziskav.

Meteorit Jezersko (Foto: M. Jeršek)
Slika atomov železa in niklja v meteoritu Esherville pri 150 milijon kratni povečavi (presevni elektronski mikroskop, tehnika: vrstična presevna elektronska mikroskopija – širokokotna tehnika temnega polja)

Geneza

Cilj moje magistrske naloge je bil razložiti genezo meteoritov Jesenice in Jezersko od časa nastajanja osončja pa vse do njihovega pristanka na Zemlji. Za to raziskavo smo se odločili, ker je Zemlja diferenciran planet, ki so ga v zadnjih 4.6 milijardah let popolnoma spremenili geološki procesi. Ker so meteoriti ostanki iz časa nastajanja našega osončja, nam lahko veliko povedo o začetkih nastajanja našega osončja. Vendar se izkaže, da se tudi meteoriti niso povsem izognili metamorfnim procesom. Zato smo študirali termično in udarno metamorfozo v obeh meteoritih, kar nam je bil ključ do cilja naših raziskav, torej razložiti celotno zgodovino oz. genezo obeh meteoritov. Za meteorita Jesenice in Jezersko smo se odločili zato, ker sodita v daleč najštevilčnejšo skupino meteoritov – med navadne hondrite. To pa pomeni, da predstavljata najbolj povprečno sliko asteroidov v našem osončju. Kasneje, tekom raziskav smo pridobili še nekaj drugih zelo redkih (neslovenskih) meteoritov.

Rezultate svoje magistrske naloge lahko poljudno povzamem takole

Naše osončje je nastalo iz emisijske meglice pred 4.6 milijardami let. Le nekaj let po nastanku osončja so nastale prve hondrule, ki jih lahko opazujemo v obeh meteoritih. Njihova struktura nakazuje, da je njihovo rojstvo povezano z eksplozijo bližnje supernove. Hondrule so se tekom milijonov let združile v večje asteroide s premerom nekaj 100 km. Ta telesa so vsebovala tudi radioaktivne elemente, kot sta uran in torij. Pri radioaktivnem razpadu pa se ne sprošča samo “sevanje”, ampak tudi precejšna količina toplote. Naše raziskave so pokazale, da je bil meteorit Jesenice segret na temperaturo med 716 in 942 °C, meteorit Jezersko pa na temperaturo med 748 in 862 °C.

Enak proces še vedno poteka v središču Zemlje, zaradi česar je Zemljino jedro segreto na 5400 °C, kar je skoraj tako vroče kot površje Sonce! Če ne bi bilo tega radioaktivnega razpada, bi se Zemljino jedro že zdavnaj ohladilo. Na prvi pogled se to ne zdi pomembno. Vendar vroče jedro poganja vse geološke procese, ki jih poznamo, npr. tektoniko plošč, ki posledično povzroča potrese in nastanek vulkanov. Na prvi pogled to kaže na same naravne katastrofe in nakazuje, da bi bilo morda bolje, da bi se Zemljino jedro ohladilo. Vendar je resnica ravno obratna. Te spremembe površja omogočajo neverjetno geološko raznovrstno Zemljinega površja, ki je kot nalašč za razvoj življenja. Nekateri znanstveniki so prepričani, da ne bi bilo življenja na Zemlji, če ne bi bilo tektonike plošč.

Naslednja stvar, ki smo jo spoznali s preučevanjem meteoritov je ta, da je njihova sestava enaka, kot je bil začetni material v osončju. Povedano drugače: če bi vso Zemljo stopili, bi imela enako povprečno sestavo kot meteoriti. Vendar zaradi fizikalnih sil je tekom milijard let Zemlja dobila lupinasto zgradbo. Preprosto povedano: težki elementi kot sta železo in nikelj so potonili v jedro, lahki, kot je kisik, pa so pobegnili v atmosfero. Kar je po gostoti, nekje vmes pa lahko srečamo na vsakem našem koraku – v obliki kamnin. Zato niso meteoriti odlično orodje samo za razumevanje našega osončja, ampak tudi Zemlje, kot planeta.

Naslednja stvar, ki sem jo spoznal s preučevanjem meteoritov je, da je njihova sestava enaka, kot je bil začetni material v osončju. Povedano drugače: če bi vso Zemljo stalili, bi imela enako povprečno sestavo kot meteoriti. Vendar je zaradi fizikalnih sil v milijardah let Zemlja dobila lupinasto zgradbo. Težki elementi, kot sta železo in nikelj, so potonili v jedro, lahki, kot je kisik, pa so pobegnili v atmosfero. Kar je po gostoti nekje vmes, pa lahko srečamo na vsakem našem koraku v obliki kamnin. Zato niso meteoriti odlično orodje samo za razumevanje našega osončja, ampak tudi Zemlje kot planeta.

Zanimivo področje v mojih raziskavah je tudi t.i. udarna metamorfoza. Vsi meteoriti so bili nekoč del asteroidov, ki krožijo okrog Sonca s hitrostmi od 3000 do 100000 km/h. In kadar trčijo pri teh neverjetnih hitrostih, se sprosti energija stotin, tisočev, milijonov atomskih bomb. In v resnici je ta znanost nastala ravno iz opazovanja kamnin v kraterjih, ki so jih naredile podzemne eksplozije atomskih bomb. Ugotovili smo, da je bil meteorit Jesenice izpostavljen tlaku 25000–150000 barov in istočasnemu povečanju temperature na 1500–2150 °C, meteorit Jezersko pa nižjemu tlaku, 25000 barov, in temperaturi 1120–1700 °C. Seveda je zgodba še malo bolj bolj zapletena. Če vas zanima, kako sem prišel do teh rezultatov, lahko preberete moje magistrsko delo ali pa pridite na enega mojih predavanj in seminarjev na to temo.

Rezultate v magistrski nalogi sem predstavil na petih mednarodnih konferencah doma in v tujini. Objavljen je bil že en znanstveni članek, v pripravi pa sta še dva. Del raziskav je bil namenjen tudi klasifikaciji meteorita Jezersko, ki se je nazadnje pridružil zbirki slovenskih meteoritov. Sedaj je uradno uvrščen v NASINI bazi vseh meteoritov (povezava).

Kam pa zdaj?

Z raziskavami meteoritov še zdaleč nisem zaključil. Pravzaprav upam, da je to šele začetek. V času raziskav se mi je odprlo več zanimivih vprašanj, ki jih skupaj s sodelavci že intenzivno rešujemo. Pred kratkim sem se vpisal na doktorski študij nanoznanosti in nanotehnologije na Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Štefana. O rezultatih nove raziskave pa poročam čez par let.

Seveda se je meteorit na zakuski po zagovoru moral dotakniti tudi torte.
Mikro napis, ki je bil izjedkan s tehniko fokusiranega ionskega curka. Dolžina napisa je manjša od debeline človeškega lasu!

PS: Prispevek je objavljen tudi na mojem blogu.

Bojan Ambrožič je magister geologije, podiplomski študent na Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana, strokovni sodelavec na IJS. Raziskovalna področja: presevna elektronska mikroskopija, tehnika fokusiranega ionskega curka, meteoritika. Ljubitelj naravoslovnih znanosti, amaterski astronom, bloger. Če ga ne najdete v laboratoriju, hodi ali teče po hribih.