A temperatura é difícil de medir, especialmente em experimentos de compressão de choque. Um grande desafio é ter que levar em conta o transporte térmico - o fluxo de energia na forma de calor.

Para entender melhor este desafio, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) deram passos importantes para mostrar que a condução térmica é importante e mensurável em condições de alta pressão e temperatura nesses tipos de experimentos, de acordo com um artigo publicado recentemente no Journal of Applied Physics . Os autores do artigo são David Brantley, Ryan Crum e Minta Akin.

"Precisamos de melhores medições de temperatura porque entender o comportamento de alta temperatura e pressão dos materiais planetários do tipo rochoso é a chave para desenvolver melhores modelos da Terra e de outros exoplanetas terrestres, "disse David Brantley, Físico do LLNL e autor principal do artigo.

Brantley disse que dependendo de como o ferro conduz calor na pressão e temperatura central da Terra, o núcleo interno sólido do planeta pode ter cerca de 500 milhões a vários bilhões de anos.

"Grandes incertezas nas temperaturas medidas de ferro nas condições centrais da Terra tornam difícil restringir o perfil de temperatura do planeta com precisão, "disse ele." Estas incertezas não foram contabilizadas em medições de temperatura anteriores, e descobrimos que eles podem influenciar significativamente os resultados anteriores. "

Para descrever qualquer material, pesquisadores precisam da equação de estado, que pode ser descrito de várias maneiras, mas o mais comum é a pressão, volume e temperatura.

"Equações de estado experimentalmente determinadas e bem restritas são críticas para a capacidade preditiva e quantificação de incerteza de cálculos de hidrocódigos, "Brantley disse." Ao fornecer incertezas realistas das temperaturas de choque medidas, fornecemos um melhor controle sobre a incerteza inerente em nossas equações de estado. "

Brantley disse que a equipe quantificou as maiores fontes de incerteza de temperatura de choque e forneceu um caminho claro para reduzir significativamente a incerteza geral de temperatura.

"Como uma comunidade, nos tornamos muito bons em medir pressão e volume - temperatura, não muito, o que nos deixa com uma equação de estado incompleta. Equações de estado são usadas em modelos, mas se eles estiverem incompletos, o modelo também será. "

Devido às escalas de tempo curtas dos experimentos de compressão de choque, que duram menos de 1 milionésimo de segundo, a temperatura é normalmente medida pela coleta da luz emitida da amostra quente por meio de pirometria óptica. Para materiais opacos, como ferro, a luz é coletada apenas da superfície da amostra. Semelhante a como o cabo de uma panela é mais frio do que a superfície de cozimento, a superfície da amostra é normalmente mais fria do que o interior. Contudo, a temperatura interior ou geral é necessária para a equação de estado. A principal fonte de incerteza nas medições de temperatura de choque vem da inferência da temperatura interna a partir da luz emitida da superfície.

A diferença entre a temperatura da superfície e da massa depende de quão bem o calor é conduzido através da amostra, como a condutividade térmica. A incerteza da medição da temperatura de choque usando pirometria depende da incerteza na condutividade térmica da amostra nas condições experimentais de alta pressão e temperatura, entre outras coisas. A precisão aprimorada em medições de condutividade térmica de alta temperatura e pressão também melhora a precisão na medição de temperatura de choque.

Em pressões e temperaturas abaixo do limite interno do núcleo da Terra, medições de temperatura de choque fornecem uma verificação cruzada vital com outros métodos. As pressões e temperaturas alcançáveis ​​em experimentos de choque vão muito além da gama de outros métodos, e os experimentos de choque fornecem atualmente o único meio confiável de atingir pressões e temperaturas semelhantes ao interior da super-Terra e de planetas gigantes gasosos.

Equipe de pesquisa conduz trabalhos em quatro experimentos

Para realizar o trabalho, os pesquisadores realizaram quatro experimentos projetados para limitar a condução térmica na escala de tempo típica dos experimentos de compressão de choque.

A equipe pegou duas amostras de estanho e duas de ferro, pulverização catódica revestida com uma espessura de 5 micrômetros em janelas de fluoreto de lítio (LiF), que foram então colocados em contato com placas de base de ferro de aproximadamente 2 milímetros de espessura. A placa de base servia como dissipador de calor para as amostras de estanho mais quentes. Uma vez que a placa de base era muito mais fria do que o estanho, a temperatura da lata deveria ter caído, como foi observado nos experimentos. As temperaturas da amostra de ferro corresponderam aproximadamente à temperatura da placa de base para os experimentos da amostra de ferro, portanto, esperava-se que a temperatura do ferro se equilibrasse.

Simulações mostraram que a temperatura da placa de base do ferro pode ter sido mais quente do que o esperado próximo à amostra. Uma vez que o ferro conduz o calor com menos facilidade do que o estanho, não se esperava que a mudança de temperatura fosse observada (na interface) até muito mais tarde no experimento. Uma vez que esta mudança de temperatura não foi observada, estabeleceu um limite superior na condutividade térmica do ferro.

Os quatro conjuntos de alvo foram chocados em série com as condições experimentais usando impactadores de placa de cobre na instalação de arma de gás leve JASPER do LLNL. Pirometria óptica de alta precisão foi usada para determinar as temperaturas da interface da janela da amostra, e Velocimetria Photon Doppler (PDV) foi usada para confirmar a pressão juntamente com simulações hidrodinâmicas.

As janelas LiF serviram para manter as condições de alta pressão e temperatura e fornecer um meio transparente para coletar a luz da superfície da amostra. O estanho foi escolhido porque é muito mais quente do que as amostras de ferro em pressões ringdown semelhantes na janela LiF.

"A temperatura LiF não é bem conhecida, então, chocando alvos de estanho e ferro a pressões semelhantes na janela LiF, obtemos temperaturas de janela comparáveis ​​para os diferentes alvos, "Brantley disse.

A placa de base de ferro serviu como dissipador de calor para as amostras de estanho mais quentes, que eram suficientemente finos para permitir um transporte térmico difusivo significativo. As amostras de ferro serviram como um histórico de temperatura de linha de base para testar o equilíbrio das temperaturas de amostra de estanho observadas.

As descobertas são duplas

Brantley disse que duas descobertas importantes foram relatadas no trabalho. Primeiro, uma comparação da temperatura de interface de estanho observada com a temperatura de interface de ferro de quase equilíbrio permitiu à equipe restringir a escala de tempo característica de relaxamento térmico.

"Esta observação abre a possibilidade de um novo tipo de plataforma experimental para determinar os parâmetros de transporte térmico da amostra em experimentos de compressão de choque usando o histórico de tempo de temperatura relativa da amostra, "Brantley disse." Tal projeto de plataforma poderia ser colocado em campo em qualquer instalação de compressão dinâmica capaz de acomodar múltiplos sistemas de pirometria. "

A segunda descoberta principal foi a importância de restringir a sistemática para obter resultados de temperatura precisos. Os efeitos sistemáticos foram encontrados para variar na direção com uma magnitude igual ou maior do que a incerteza experimental. Além disso, esta sistemática era dependente do modelo, o que significa que apenas a escolha do modelo pode impactar a temperatura geral. É de vital importância que os resultados finais da temperatura sejam corrigidos para as contribuições sistemáticas mais significativas, a pesquisa mostrou.