Возможно, самые глубокие слои Земли существуют как в жидком, так и в твердом состоянии: тяжелые элементы формируют кристаллическую структуру, а легкие плавно перемещаются среди них.
Многие загадки Земли связаны с её суперионной фазой ядра. Железо и никель остаются твердыми, а легкие элементы перемещаются в кристаллической решетке, изменят характер сейсмических волн. Новую работу подтвердили авторы. опубликованной в журнале Nature.
С детства знаем, что Земля образована тонкой корой, под которой расположена мантииа, охватывающая ядро. Ядро состоит из железа и никеля и делится на жидкое наружное и твердое внутреннее. внутреннееГлубина самых глубоких скважин не достаёт до мантии, а тем более ядра. Его строение геологи изучают с помощью лабораторных экспериментов, моделирования и сейсмических волн. Проходя сквозь вещество с разными свойствами, эти волны меняют скорость и другие характеристики, что позволяет «просвечивать» планету насквозь.
Результаты подобных исследований свидетельствуют о том, что внутреннее ядро Земли менее плотное, чем ожидалось от железа и никеля при высоких температуре (5400 °C) и давлении (около 350 гигапаскалей). По всей видимости, в нем содержится значительное количество более легких элементов: кремния, серы, углерода, кислорода и водорода. Точное содержание и форма этих элементов остаются неизвестными. В любом случае их присутствие оказывает влияние не только на плотность ядра, но и на температуру его плавления, теплопроводность, а также характер прохождения через него сейсмических колебаний.
Измерения сейсмографов демонстрируют: движение сквозь внутреннее ядро замедляет распространение поперечных S-волн, которые колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению их распространения. Ни чистое железо, ни железо-никель в различных комбинациях не должны вести себя подобным образом.
В 2021 году Джон Бродхольт и сотруники связалиЭта особенность связана с тем, что внутреннее ядро находится в «суперионном» состоянии, как вода в форме… льда XVIIIВ структуре присутствует кристаллическая решетка из ионов кислорода, подобная твердому состоянию, а ионы водорода перемещаются между ними свободно, как в жидкой фазе.
Внутреннее ядро может быть устроено подобным образом: тяжелые ионы железа и никеля находятся в твердой фазе, а частицы легких элементов перемещаются сравнительно свободно.
Ученые смоделировали поведение структуры из 64 атомов, включающей никель, железо и набор лёгких элементов, при температуре и давлении, характерных для внутреннего ядра Земли. Несмотря на разную комбинацию лёгких элементов по сравнению с работой Бродхольта и соавторов, удалось получить суперионное состояние вещества, где свободное движение лёгких ионов замедляет S-волны.
Это может объясняться ещё одной чертой внутреннего ядра: его воздействие на сейсмические колебания меняется со временем. Возможно, причиной тому — изменение скорости его вращения. отличаетсяОт общего оборота планеты, но возможно постоянное движение жидкой фазы внутри ядра также приводит к таким результатам, если оно находится в сверхпроводящем состоянии.
Есть еще одна загадка: землетрясения проходят сквозь внутреннее ядро быстрее от полюса к полюсу, чем на экваторе. По мнению Юя Хэ и его коллег, это возможно из-за неравномерного распределения легких «жидких» элементов. Если они сконцентрированы ближе к центру планеты, образуя уплощенную сферу около полюсов, то могут вызывать анизотропное распространение сейсмических волн. Как и почему эта жидкость собирается в такую «линзу», неизвестно.