Чому земне ядро є одночасно твердим і м'яким: новий стан речовини пояснює всі аномалії

Як вуглець змушує ядро ставати наче масло?

Під розплавленим зовнішнім ядром Землі знаходиться твердий центральний регіон – внутрішнє ядро. Це відносно компактна сфера зі сплаву заліза й легких елементів, стиснута під тиском у понад 3,3 мільйона атмосфер і нагріта до температур, порівнянних із поверхнею Сонця. Дослідники довго намагалися пояснити незвичайну поведінку цієї частини нашого світу: будучи твердим, ядро поводиться як несподівано м'який метал, сповільнюючи сейсмічні хвилі та демонструючи поведінку, яка радше схожа на масло, пише 24 Канал з посиланням на SciTechDaily.

Новий масштабний експеримент, опублікований у журналі National Science Review, дає переконливе пояснення цій загадці. Команда під керівництвом професора Юцзюня Чжана та доктора Юцяня Хуана з Сичуаньського університету разом із професором Юй Хе з Інституту геохімії Китайської академії наук продемонструвала, що сплав залізо-вуглець переходить у суперіонну фазу під інтенсивним тиском і високою температурою. У цій формі атоми вуглецю швидко переміщуються крізь кристалічний каркас твердого заліза, істотно знижуючи його жорсткість.

Учені використали платформу динамічного ударного стиснення, розганяючи зразки залізо-вуглецю до швидкості сім кілометрів на секунду. Це створювало тиск до 140 гігапаскалів і температуру близько 2600 кельвінів – умови, подібні до тих, що панують у внутрішньому ядрі. Комбінуючи вимірювання швидкості звуку на місці з передовим молекулярним моделюванням, дослідники зафіксували різке падіння швидкості зсувних хвиль і стрибок коефіцієнта Пуассона.

На атомному рівні результати показали, як атоми вуглецю вільно ковзають крізь залізну решітку, послаблюючи її жорсткість без руйнування структури.

Професор Чжан пояснив, що вперше експериментально показано низьку швидкість зсуву сплаву залізо-вуглець в умовах внутрішнього ядра. У цьому стані атоми вуглецю стають надзвичайно рухливими, демонструючи дифузію (змішування) крізь кристалічний залізний каркас, тоді як саме залізо лишається твердим і впорядкованим. Ця суперіонна фаза різко знижує жорсткість сплаву.

Що це нам дає?

Суперіонна модель пояснює не лише загадкові сейсмічні властивості ядра, а й відкриває нові перспективи щодо внутрішньої динаміки Землі. Рух легких елементів може допомогти пояснити сейсмічну анізотропію – зміни швидкості хвиль залежно від напрямку – і навіть впливати на магнітне поле планети. Доктор Хуан зазначив, що атомна дифузія всередині внутрішнього ядра являє собою раніше невраховане джерело енергії для геодинаміки. Крім тепла та конвекції, рідиноподібний рух легких елементів може допомагати живити магнітний двигун Землі.

За словами професора Чжана, відкриття сигналізує про зміну в тому, як науковці розглядають центр Землі – від статичної жорсткої моделі внутрішнього ядра до динамічної. Розуміння цього прихованого стану матерії наближує людство на крок до розкриття таємниць внутрішньої будови планет, подібних до Землі. Виявлення суперіонної фази може також пролити світло на магнітну та теплову еволюцію інших скелястих планет та екзопланет.