Международная команда ученых впервые экспериментально подтвердила, что внутреннее ядро Земли находится в особом гибридном состоянии материи, промежуточном между твердым телом и жидкостью. Это открытие, сделанное исследователями из Сычуаньского университета и Института геохимии Академии наук Китая, объясняет давние сейсмические аномалии и может коренным образом изменить наше понимание динамики земных недр и формирования магнитного поля планеты.
Долгое время считалось, что внутреннее ядро Земли, окруженное жидким внешним ядром, представляет собой твердое и компактное железное тело. Однако наблюдения показывали, что оно примерно на 3-5% менее плотное, чем чистое железо, что указывало на присутствие более легких элементов, таких как углерод. Более того, сейсмические волны, проходящие через ядро, движутся со скоростью 3.4-3.6 км/с, что значительно ниже прогнозируемой для компактного железного ядра. Высокий коэффициент Пуассона ядра, сравнимый с резиной или твердым маслом, также указывал на его необычную пластичность.
Разгадкой этой тайны, согласно исследованию, опубликованному в журнале National Science Review, является сверхионное состояние железо-углеродистых сплавов, из которых, как полагают, состоит внутреннее ядро. В экстремальных условиях высокого давления и температуры, царящих в центре планеты, атомы углерода приобретают необычайную подвижность, свободно диффундируя внутри жесткой кристаллической решетки из атомов железа, подобно жидкости. При этом сама железная основа остается твердой и упорядоченной.
Для подтверждения этой гипотезы ученые создали специальную установку для ударного сжатия, которая разгоняла образцы железо-углеродистых сплавов до скоростей 7 км/с под давлением до 140 гигапаскалей и при температурах свыше 2600 °C, что приближается к условиям верхних слоев внутреннего ядра. Измерения скорости сейсмических волн в сочетании с продвинутым молекулярно-динамическим моделированием зафиксировали резкое падение скорости поперечных волн и скачок коэффициента Пуассона в материале, перешедшем в сверхионное состояние.
Как пояснил соавтор работы Юйцзюнь Чжан, в этом состоянии атомы углерода становятся чрезвычайно подвижными, диффундируя через кристаллическую структуру железа, что значительно снижает жесткость сплава. Это открытие переводит модель внутреннего ядра из статичной и жесткой в более динамичную. Сверхинное состояние не только объясняет его необычные сейсмические свойства, но и может быть ключом к пониманию внутренней динамики, включая процессы, генерирующие магнитное поле Земли. Свободное движение легких элементов в ядре представляет собой ранее не учитывавшийся источник энергии для геодинамо — механизма, создающего планетарное магнитное поле. Эти данные также помогут лучше понять эволюцию магнитных полей других каменистых планет, таких как Марс.