Новое исследование: внутреннее ядро Земли может состоять из супериона

Новости МирТесен

Вероятно, самые глубокие слои Земли демонстрируют уникальное состояние: они существуют как в жидкой, так и в твердой форме. Более тяжелые элементы формируют упорядоченную кристаллическую структуру, а более легкие перемещаются свободно между этими кристаллами.

Существуют многочисленные неразгаданные вопросы, касающиеся внутреннего ядра Земли, и, возможно, ответ кроется в его необычной суперионной структуре. Тяжелые элементы, такие как железо и никель, сохраняют твердое состояние, в то время как более легкие элементы могут относительно свободно перемещаться внутри их кристаллической структуры, что влияет на распространение сейсмических волн. Новое исследование, проведенное учеными, предоставляет подтверждение этой модели, опубликованной в журнале Nature.

На уроках географии нам рассказывают о слоестойкой структуре Земли: тонкая кора покрывает мантию, которая окружает ядро. Ядро состоит преимущественно из железа и никеля и подразделяется на внешнюю жидкую часть и внутреннее твердое. внутреннее. Получить прямые сведения о строении Земли затруднительно: даже самые глубокие скважины не позволяют достичь мантии, не говоря уже о ядре. Геологи исследуют строение Земли, используя лабораторные эксперименты, моделирование и, безусловно, сейсмические волны. При прохождении через слои вещества с различными характеристиками, они изменяют свою скорость и другие параметры, что позволяет получить представление о внутреннем строении планеты, подобно рентгеновскому исследованию.

Результаты исследований выявили, что внутреннее ядро нашей планеты обладает меньшей плотностью по сравнению с тем, что ожидалось для железа и никеля при экстремальных условиях – высокой температуре (5400 °C) и колоссальном давлении (около 350 гигапаскалей). Судя по всему, оно содержит значительное количество примесей из более легких элементов. Среди потенциальных кандидатов — кремний, сера, углерод, кислород и водород; однако точный состав, концентрация и форма их присутствия остаются неизвестными. Несомненно, эти элементы оказывают влияние не только на плотность ядра, но также на температуру его плавления, способность передавать тепло и поведение сейсмических волн.

Измерения, проведенные с помощью сейсмографов, демонстрируют, что движение внутри внутреннего ядра замедляет распространение поперечных S-волн, колебания которых происходят в плоскости, перпендикулярной направлению их движения. Подобное поведение не характерно ни для чистого железа, ни для сплавов железа и никеля в различных пропорциях.

В связи с этим, в 2021 году Джон Бродхольт и группа исследователей, связали эту особенность с тем, что внутреннее ядро находится в «суперионном» состоянии, подобно воде в форме льда XVIII. Внутри этой структуры атомы кислорода выстраиваются в кристаллическую решетку, подобно твердому веществу, тогда как атомы водорода обладают подвижностью, напоминая жидкость.

Внутреннее ядро также может иметь подобную структуру: тяжелые ионы железа и никеля образуют твердую фазу, в то время как частицы легких элементов перемещаются достаточно свободно. Недавнее исследование, проведенное Юем Хэ (Yu He) и его коллегами из Китайской академии наук, предоставило подтверждение этой модели.

Смоделировав поведение структуры, состоящей из 64 атомов никеля, железа и других легких элементов, ученые воспроизвели условия, характерные для внутреннего ядра Земли. Несмотря на то, что использовалась иная комбинация легких элементов по сравнению с работой Бродхольта и его коллег, удалось снова наблюдать суперионное состояние вещества, характеризующееся замедлением S-волн из-за свободного перемещения легких ионов.

Этот факт может служить объяснением еще одного аспекта внутреннего ядра — изменения его влияния на сейсмические колебания с течением времени. Предполагается, что это связано со скоростью вращения ядра. отличается от общей скорости вращения планеты. Но если внутреннее ядро действительно находится в суперионном состоянии, то к тем же результатам может приводить просто постоянное течение жидкой фазы в нем.

Еще одна неразгаданная тайна – это поведение сейсмических волн при прохождении через внутреннее ядро: они распространяются быстрее в меридиональном направлении по сравнению с движением в области экватора. Юй Хэ и его соавторы предполагают, что причиной этого является неравномерное распределение легких компонентов в жидком состоянии. Если эти элементы преимущественно концентрируются возле центральной части планеты, формируя сплюснутую сферу вдоль полюсов, это может вызывать анизотропию при распространении сейсмических колебаний. Тем не менее, остается загадкой механизм формирования и причины концентрации этой жидкости в подобной «линзе».