Внутренняя структура Земли и суперионное внутреннее ядро (изображение IGCAS)
Ученые обнаружили, что внутреннее ядро Земли на самом деле находится в состоянии материи, называемом суперионным, что позволяет ему вести себя как твердое и жидкое состояние одновременно, согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, сообщает сетевое издание “СахаНаука”.
Земное ядро, центр нашей планеты, характеризуется чрезвычайно высоким давлением и температурой. Он состоит из жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра.
Внутреннее ядро формируется и растет за счет затвердевания жидкого железа на внешней границе ядра.
Внутренняя часть ядра менее плотная, чем чистое железо, и считается, что во внутренней части ядра присутствуют некоторые легкие элементы.
Совместная исследовательская группа в составе профессора Л.И. Хепина и профессора Х.Е. Ю из Института геохимии Китайской академии наук (IGCAS) и профессора Мао Хо-Квана и профессора КИМ Дака Янга из Центра передовых исследований и технологий высокого давления Исследование (HPSTAR) доказало, что внутреннее ядро Земли не является обычным твердым телом, а состоит из твердой железной подрешетки и жидкоподобных легких элементов, это состояние известно как суперионное. Жидкоподобные легкие элементы обладают высокой диффузией в подрешетках железа в условиях внутреннего ядра.
В 2018 году ученые зажали каплю воды между двумя ячейками алмазной наковальни и взорвали ее мощными лазерами. Экстремальное давление и температура преобразовали атомы водорода и кислорода из воды в странную форму, называемую суперионным льдом, согласно статье, опубликованной в журнале Nature Physics.
Это состояние связано с интенсивным нагреванием химических связей между атомами водорода и кислорода. Высокое давление удерживает более тяжелые атомы кислорода в упорядоченном кристаллическом выравнивании, подобно твердому телу, в то время как ионы водорода текут через решетку, состоящую из атомов кислорода, подобно жидкости.
Ученые подозревают, что этот странный лед может составлять большую часть недр ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, что может объяснить их необычайно сильные магнитные поля.
Поскольку под глубоко под мантией Земли существует экстремальная температура и давление, ученые предположили, что такое суперионное состояние может также присутствовать в железных сплавах из недр нашей планеты.
Это открытие бросило вызов традиционному пониманию геологической структуры Земли и может подтолкнуть к новым исследовательским идеям и теориям для разрешения самых больших загадок Земли, таких как происхождение ее магнитного поля.
Как считают ученые, в недрах планет широко распространено суперионное состояние, являющееся промежуточным состоянием между твердым и жидким. Используя компьютерное моделирование высокого давления и высокой температуры, основанное на теории квантовой механики, исследователи из IGCAS и Центра перспективных исследований науки и технологий высокого давления (HPSTAR) обнаружили, что некоторые сплавы Fe-H, Fe-C и Fe-O превращаются в суперионное состояние в условиях внутреннего ядра.
Хэ Ю, ведущий автор статьи и исследователь Института геохимии Китайской академии наук считает, что внутреннее ядро Земли содержит легкие элементы, в том числе углерод, кислород и водород. Они являются одними из самых распространенных химических веществ в Солнечной системе и, вероятно, попали в ядро во время его формирования.
В суперионных сплавах железа легкие элементы становятся неупорядоченными и диффундируют в решетке, как жидкость, в то время как атомы железа остаются упорядоченными и колеблются вокруг своей решетки решетки, образуя твердый железный каркас. Коэффициенты диффузии C, H и O в суперионных сплавах железа такие же, как и в жидком Fe.
«Это совершенно ненормально. Затвердевание железа на внешней границе ядра не меняет подвижность этих легких элементов, а конвекция легких элементов во внутреннем ядре непрерывна», — сказал профессор Хэ Ю.
Одна давняя загадка внутреннего ядра состоит в том, что оно довольно мягкое, с довольно низкой скоростью поперечной волны. Исследователи рассчитали сейсмические скорости в этих суперионных сплавах железа и обнаружили значительное снижение скорости поперечной волны.
«Наши результаты хорошо согласуются с сейсмологическими наблюдениями. Именно жидкие элементы делают внутреннее ядро мягким», — сказал соавтор Сун Шичуань из IGCAS.
Легкие элементы с высокой диффузией могут влиять на сейсмические скорости, давая важные подсказки для понимания других загадок внутреннего ядра. Анизотропная структура, затухание сейсмических волн и структурные изменения внутреннего ядра за последние десятилетия могут быть рационализированы в суперионной модели путем рассмотрения распределения и конвекции этих жидкоподобных элементов во внутреннем ядре.
Как предполагают китайские ученые, это открытие освежило наше понимание внутреннего ядра и может дать новые подсказки для изучения внутренней структуры Земли, сейсмических движений, геомагнитного поля и других ключевых научных тем.
Например, магнитное поле Земли питается от движения внутри ядра планеты. Это поле играет жизненно важную роль в обеспечении обитаемости планеты, поскольку оно отклоняет заряженные частицы солнечного ветра, которые в противном случае могут разрушить нашу атмосферу и повредить живые организмы и электронику на земле.
Но ученым трудно понять, почему магнитное поле Земли постоянно смещается и почему оно может полностью поменять местами северный и южный магнитные полюса.
В итоге вопрос о том, что вызывает изменение направления магнитного поля Земли, включен журналом Science в число 125 передовых научных вопросов мира.
Изучение земного ядра и исследование недр Земли в целом может дать ответы на эти большие загадки. Зондирование Земли также важно с точки зрения открытия и разработки природных ресурсов, таких как ископаемое топливо и полезные ископаемые, а также для улучшения способности прогнозировать землетрясения и извержения вулканов.
«Из-за своих огромных масштабов, жары и давления недра Земли остаются самым недоступным рубежом для ученых. У нас есть люди, летающие в космос и ныряющие в самые глубокие части океана. Но самое глубокое место в земной коре, куда смогли проникнуть люди — это 12 км скважина в России. Это едва царапает поверхность Земли радиусом примерно 6300 км», — сказал Хэ Ю.
