Ядро Земли, расположенное на глубине 2900 километров, состоит в основном из железа, никеля и некоторых более легких элементов. Внешнее ядро жидкое и является местом конвективных движений, которые лежат в основе магнитного поля Земли. Внутреннее ядро (семя), расположенное на глубине 5150 км, представляет собой твердую сферу; давление и температура чрезвычайно высоки: 3,3 миллиона атмосфер при температуре 5500 °C. Однако новое исследование показывает, что семя не является классическим твердым телом, а состоит из твердо-жидкой смеси, известной как "суперионное состояние".
Внутреннее ядро Земли образовалось в результате постепенной кристаллизации жидкого железа на уровне разрыва Лемана — границы, отделяющей внутреннее ядро от внешнего ядра. Но внутреннее ядро менее плотное, чем чистое железо, что говорит о том, что оно тоже состоит из легких элементов. В качестве кандидатов были предложены кремний, сера, углерод, кислород и водород, поэтому ученые изучили свойства сплавов, образованных железом с этими различными элементами, в попытке определить точный состав внутреннего ядра.
Действительно, легкие элементы оказывают существенное влияние на сейсмические скорости, температуры плавления и теплопроводность сплавов железа. Но состояние, в котором находятся эти легкие элементы, редко принимается во внимание в исследованиях. Поэтому команда под руководством профессора Ю Хэ из Института геохимии Китайской академии наук (IGCAS) решила изучить этот вопрос. Так они обнаружили, что внутреннее ядро, вероятно, находится в так называемом суперионном состоянии, а не в твердом состоянии, как считалось ранее.
Суперионное состояние находится где-то между жидким и твердым состояниями. Например, в условиях особо высоких давлений и температур вода может переходить в суперионное состояние: разрываются водородные связи, молекулы воды разделяются и атомы кислорода образуют новую кристаллическую решетку, а атомы водорода свободно перемещаются. Это состояние материи относительно распространено внутри планет. Эксперты считают, что большинство ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран, могут состоять в основном из суперионного водяного льда.
Используя компьютерное моделирование высокого давления и высокой температуры, которое имитирует условия внутреннего ядра, исследователи из IGCAS и Центра передовых исследований в области науки и технологии высокого давления обнаружили, что водород, кислород и углерод в плотном гексагональном железе переходят в суперионное состояние и демонстрируют высокие коэффициенты диффузии, идентичные коэффициентам жидкого железа. В этих сплавах (Fe-H, Fe-O и Fe-C) атомы железа образуют упорядоченную подрешетку — своего рода твердый каркас - в то время как легкие элементы становятся неупорядоченными и растворяются как жидкость внутри этой кристаллической решетки.
"Это довольно ненормально. Затвердевание железа на границе внутреннего ядра не изменяет подвижность этих легких элементов, и конвекция легких элементов непрерывна во внутреннем ядре", — говорится в заявлении профессора Хе.
Это "аномальное" явление объясняет, почему, согласно сейсмологическим наблюдениям, сдвиговые волны (вторичные сейсмические волны) распространяются относительно медленно в центре Земли (по сравнению с ожидаемыми скоростями). Действительно, исследователи рассчитали скорости сейсмических волн в этих суперионных сплавах железа и обнаружили явное замедление.
Очевидно, что ядро Земли особенно трудно изучать. Однако воссоздание условий давления и температуры в лаборатории позволяет сделать некоторые выводы. Аналогичным образом, много информации можно получить, анализируя сейсмические волны, генерируемые землетрясениями, скорость распространения и направление которых зависят от материала, через который они проходят. По словам Хрвое Ткальчича, геофизика из Австралийского национального университета, который не участвовал в данном исследовании, эти волны могут указывать, помимо прочего, на плотность и жесткость железного сплава внутреннего ядра.
Таким образом, исследование Хе и его коллег подтверждает выводы предыдущих исследований, основанных на сейсмических волнах, которые уже предполагали, что ядро было относительно "мягким" и состояло из нескольких легких элементов. Мало того, что легкие жидкоподобные элементы вызывают существенное снижение сейсмических скоростей, их конвективные движения потенциально могут влиять на сейсмологическую структуру и магнитное поле внутреннего ядра, пишут исследователи в журнале Nature.
Это "новая отправная точка для понимания внутреннего ядра", — сказал он в интервью ABC News. Исследование действительно может раскрыть некоторые тайны, окружающие внутреннее ядро, например, точно определить, когда оно начало затвердевать. Но другие вопросы еще предстоит прояснить, в частности, сейсмическую анизотропию ядра — явление, которое подразумевает, что скорость прохождения сейсмической волны через внутреннее ядро зависит от ее направления.
Оказывается, что волна, проходящая между северным и южным магнитными полюсами, быстрее, чем волна, проходящая по экватору через весь земной шар (хотя расстояние одинаковое). И ученые не могут понять, почему. Он и его команда предполагают, что это может быть связано с неравномерным распределением легких элементов во внутреннем ядре, которые группируются к центру, замедляя проходящие там сейсмические волны. Однако для подтверждения этой гипотезы и объяснения такого специфического распределения необходимы дальнейшие исследования.