На твердом ядре Земли нарастают дендриты (как сталагмиты в пещерах), происходит это за счет охлаждения, которое является движущей силой кристаллообразования. Нарастание дендритов происходит со скоростью примерно 18 метров за 100 000 лет. К такому выводу пришли физики Уральского федерального университета, которые развили математическую модель роста ядра Земли. Расчеты и результаты моделирования ученые опубликовали в журнале Crystals. Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект № 21-79-10012) и Минобрнауки России (проект № ФЭУЗ-2023-0022).
Дмитрий Александров, соавтор расчетов и матмодели. Фото: пресс-служба УрФУ / Илья Сафаров
«Кристаллизация земного ядра происходит в условиях, сильно отличающихся от условий на поверхности Земли. Ключевыми отличиями являются чрезвычайно медленная скорость кристаллизации, сильная зависимость температуры фазового превращения от давления, более высокая температура затвердевшего ядра по сравнению с окружающей жидкостью и значительное влияние конвекции в процессе затвердевания. К примеру, ускорение свободного падения у ядра Земли примерно в два раза меньше, чем на поверхности. Давление доходит примерно до 3,7 млн атмосфер, или 375 гигапаскаль, тогда как на поверхности Земли оно меньше почти в 4 млн раз и составляет примерно 101 килопаскаль», — поясняет соавтор исследования, руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров.
Что происходит на границе твердой и жидкой фаз (внутреннего и внешнего ядер), физикам удалось выяснить с помощью математической модели направленной кристаллизации бинарного расплава с двухфазной областью. Так, ученые определили концентрацию примеси, долю твердой фазы, толщину двухфазной области, среднюю скорость жидкости, первичное междендритное расстояние и расстояние между конвективными восходящими потоками расплава.
«Эти расчеты позволили нам описать структуру и составить схему того, что происходит у двухфазной поверхности ядра Земли. В частности, мы выяснили, что дендриты разной высоты, некоторые из них достигают 300 километров. Растут они крайне медленно — примерно до 18 метров за 100 000 лет. Среднее расстояние между дендритами составляет от 10 до 100 метров, а расстояние между потоками расплава доходит до одного километра», — поясняет Дмитрий Александров.
Отметим, ядро Земли — самая глубокая центральная область планеты; у него есть внутренняя и внешняя части. Предположительно, ядро состоит из сплава железа и никеля с примесью различных элементов: серы, кислорода, кремния, хрома, фосфора и других. Температура ядра оценивается примерно в 5000–6000 градусов по Цельсию. Поскольку ядро по большей части состоит из железа, оно весит около 1/3 массы планеты. Внутренняя часть ядра радиусом около 1300 км находится в твердом состоянии. Температура внешней части ядра составляет около 6000 градусов Цельсия. Внутренняя часть ядра имеет высокую плотность и находится под колоссальным давлением. Внешняя часть ядра находится в жидком состоянии, окутывая внутреннее ядро и циркулируя вокруг него. Между этими двумя частями земного ядра существует переходная область, заполненная твердой и жидкой фазами и обладающая свойствами внутренней и внешней частей ядра.
Информация и фото предоставлены пресс-службой УрФУ