Возможен высокий уровень содержания кислорода в центре планеты

Новости МирТесен

Изначально предполагали, что железо, формирующее внутреннее ядро Земли, практически лишено кислорода. Тем не менее, свежее исследование предоставило возможность воспроизвести условия, характерные для этой среды, и создать сплав на основе железа с высоким содержанием кислорода (Fe-O), способный сохранять стабильность при температуре выше 2700 градусов Цельсия и под давлением в 300 гигапаскалей.

Кислород – один из наиболее распространенных химических компонентов, незаменимый для поддержания жизни большинства организмов. Тем не менее, его присутствие во внутреннем ядре Земли, которое преимущественно состоит из железа, долгое время оставалось предметом дискуссий. Если кислород действительно присутствует там, то в какой форме он может существовать при колоссальных температурах и экстремальном давлении?

В настоящее время исследователи из Китайского центра передовых исследований науки и технологий высоких давлений совместно с учеными Колумбийского университета продемонстрировали, что соединения железа с кислородом (Fe-O), содержащие большое количество железа, сохраняют свою устойчивость при экстремальном давлении – около 300 гигапаскалей (что эквивалентно приблизительно трем миллионам атмосфер) и температуре, превышающей 2700 градусов Цельсия. Опубликованные данные в журнале The Innovation подтверждают возможность существования кислорода в твёрдом состоянии во внутреннем ядре Земли, опубликованные в научном издании The Innovation доказывают, что кислород способен присутствовать в твердой мантии нашей планеты.

Глубинная структура Земли продолжает оставаться одним из наименее изученных регионов нашей планеты. Там наблюдается колоссальное сжатие, способное достигать трехсот шестидесяти гигапаскалей, и экстремальные температуры – около пяти тысяч четырехсот градусов Цельсия, сопоставимые с показателями на солнечной поверхности. Поскольку непосредственное исследование ядра невозможно из-за огромной удаленности от земной коры, специалисты вынуждены полагаться на опосредованные данные сейсмических волн для оценки его плотности и химического состава.

Предполагается, что легкие элементы могут присутствовать внутри ядра планеты, однако их конкретный состав и количество остаются открытыми для обсуждений. Данные из области космохимии и геохимии указывают на вероятное наличие серы, кремния, углерода и водорода в ядре. Экспериментальные данные и расчеты также подтверждают взаимодействие этих элементов с чистым железом, приводящее к образованию различных металлических соединений.

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.

Для имитации температуры и давления ядра Земли ученые поместили образцы железа и оксида железа между двумя алмазными наковальнями и подвергли их воздействию мощного лазерного излучения. В результате экспериментальной работы было установлено, что химическое взаимодействие этих веществ происходит при давлении свыше 220-260 гигапаскалей и температуре около 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.