Как углерод заставляет ядро становиться как масло?
Под расплавленным внешним ядром Земли находится твердый центральный регион – внутреннее ядро. Это относительно компактная сфера из сплава железа и легких элементов, сжатая под давлением в более 3,3 миллиона атмосфер и нагретая до температур, сравнимых с поверхностью Солнца. Исследователи долго пытались объяснить необычное поведение этой части нашего мира: будучи твердым, ядро ведет себя как неожиданно мягкий металл, замедляя сейсмические волны и демонстрируя поведение, которое скорее похоже на масло, пишет 24 Канал со ссылкой на SciTechDaily.
Смотрите также Мужчина много лет хранил кусок "золота", а потом выяснил, что это что-то значительно ценнее
Новый масштабный эксперимент, опубликован в журнале National Science Review, дает убедительное объяснение этой загадке. Команда под руководством профессора Юцзюня Чжана и доктора Юцяня Хуана из Сычуаньского университета вместе с профессором Юй Хэ из Института геохимии Китайской академии наук продемонстрировала, что сплав железо-углерод переходит в суперионную фазу под интенсивным давлением и высокой температурой. В этой форме атомы углерода быстро перемещаются сквозь кристаллический каркас твердого железа, существенно снижая его жесткость.
Ученые использовали платформу динамического ударного сжатия, разгоняя образцы железо-углерода до скорости семь километров в секунду. Это создавало давление до 140 гигапаскалей и температуру около 2600 кельвинов – условия, подобные тем, что царят во внутреннем ядре. Комбинируя измерения скорости звука на месте с передовым молекулярным моделированием, исследователи зафиксировали резкое падение скорости сдвиговых волн и скачок коэффициента Пуассона.
На атомном уровне результаты показали, как атомы углерода свободно скользят сквозь железную решетку, ослабляя ее жесткость без разрушения структуры.
Профессор Чжан объяснил, что впервые экспериментально показана низкая скорость сдвига сплава железо-углерод в условиях внутреннего ядра. В этом состоянии атомы углерода становятся чрезвычайно подвижными, демонстрируя диффузию (смешивание) сквозь кристаллический железный каркас, тогда как само железо остается твердым и упорядоченным. Эта суперионная фаза резко снижает жесткость сплава.
Что это нам дает?
Суперионная модель объясняет не только загадочные сейсмические свойства ядра, но и открывает новые перспективы относительно внутренней динамики Земли. Движение легких элементов может помочь объяснить сейсмическую анизотропию – изменения скорости волн в зависимости от направления – и даже влиять на магнитное поле планеты. Доктор Хуан отметил, что атомная диффузия внутри внутреннего ядра представляет собой ранее неучтенный источник энергии для геодинамики. Помимо тепла и конвекции, жидкостноподобное движение легких элементов может помогать питать магнитный двигатель Земли.
По словам профессора Чжана, открытие сигнализирует об изменении в том, как ученые рассматривают центр Земли – от статической жесткой модели внутреннего ядра к динамической. Понимание этого скрытого состояния материи приближает человечество на шаг к раскрытию тайн внутреннего строения планет, подобных Земле. Обнаружение суперионной фазы может также пролить свет на магнитную и тепловую эволюцию других скалистых планет и экзопланет.