Изначально предполагалось, что кислород отсутствует во внутреннем железном ядре Земли. Новое исследование показало, что ученым удалось воссоздать условия, характерные для этой среды, и получить сплав железа с кислородом (Fe-O), способный сохраняться при температуре свыше 2700 градусов Цельсия и давлении в 300 гигапаскалей.
Кислород, жизненно важный для большинства организмов, является одним из наиболее распространенных химических элементов на Земле. Долгое время оставался нерешенным вопрос о наличии кислорода во внутреннем ядре планеты, которое состоит почти целиком из железа. Если кислород и присутствует там, то в какой форме он существует в условиях экстремальной температуры и давления?
Теперь ученые из Центра передовых исследований науки и технологий в области высоких давлений (Китай) и Колумбийского университета (Колумбия) продемонстрировали, что сплавы, насыщенные железом и кислородом (Fe-O), сохраняют свою стабильность при давлении, достигающем почти 300 гигапаскалей (что эквивалентно примерно трем миллионам атмосфер) и температуре, превышающей 2700 градусов Цельсия. Результаты исследования, опубликованные в журнале The Innovation, доказывают, что кислород может существовать в твердом внутреннем ядре нашей планеты.
Внутреннее ядро Земли до сих пор остается одним из самых таинственных объектов на нашей планете. Там наблюдается колоссальное давление, достигающее 360 гигапаскалей, и температура, превышающая 5400 градусов Цельсия – сопоставимая с температурой на поверхности Солнца. Поскольку ядро недоступно для непосредственного изучения, ученые делают выводы о его плотности и химическом составе, основываясь на косвенных данных, получаемых из сейсмических волн.
Предполагается, что легкие элементы способны присутствовать в ядре, однако их состав и количество вызывают дискуссии. Космохимические и геохимические данные указывают на то, что ядро, вероятно, содержит серу, кремний, углерод и водород. Экспериментальные исследования и расчеты также демонстрируют, что эти элементы способны образовывать сплавы при взаимодействии с чистым железом.
Обычно кислород в ядре не учитывается. Это обусловлено тем, что сплавы Fe-O, содержащие большое количество железа, не были обнаружены ни на поверхности, ни в мантийной среде. Несмотря на попытки ученых синтезировать соединения оксида железа с высоким содержанием железа, эти вещества пока не найдены.
Авторы новой работы воссоздали условия, приближенные к температуре и давлению ядра Земли, поместив железо и оксид железа между двумя алмазными наковальнями и нагрев их мощным лазерным лучом. Результаты показали, что химическая реакция между этими веществами протекает при давлении, превышающем 220–260 гигапаскалей, и температуре 2700 градусов Цельсия.
Исследования кристаллической структуры сплава Fe-O с высоким содержанием железа выявили его потенциальную стабильность в условиях, характерных для земного ядра. Новые сплавы Fe-O формируют гексагональную плотноупакованную структуру, где слои кислорода располагаются между слоями железа, обеспечивая ее стабилизацию. Этот механизм приводит к образованию множества плотноупакованных слоев. Дополнительные расчеты показали, что сплавы Fe-O с высоким содержанием железа обладают металлическими свойствами, в отличие от обычных оксидов железа при низких давлениях.