Вчені відкрили загадковий стан речовини в ядрі Землі, що нагадує… масло

Глибоко під поверхнею Землі знаходиться внутрішнє ядро, яке тривалий час залишалося загадкою для науковців. Однак нові дослідження відкривають нові аспекти цього феномену, виявляючи, що тверде ядро може бути значно м'якшим і більш динамічним, ніж було відомо раніше.

Дослідники з Університету Сичуань у Китаї провели експерименти на залізо-вуглецевих сплавах, результат яких опубліковано в журналі National Science Review. За допомогою високотехнологічних лабораторних досліджень, вони з'ясували, що при екстремальних температурах і тиску атоми вуглецю здатні переміщуватися через кристалічну решітку заліза, що призводить до зниження жорсткості матеріалу та уповільнення скручувальних сейсмічних хвиль на 23%.

Причина "м'якості" внутрішнього ядра

Сейсмологи давно помічали, що внутрішнє ядро сповільнює певні види сейсмічних хвиль, і тепер китайські вчені пояснили це явище. Вони зазначають, що при високих температурах і тиску деякі кристали переходять у суперионний стан. У такому стані легші атоми, зокрема вуглець, можуть вільно переміщатися всередині кристалічної структури, тоді як важчі атоми залишаються на своїх стабільних позиціях.

Це відкриття є значущим, оскільки аналогічні явища вже досліджувалися в контексті твердих батарейних провідників, де рухомі іони передають заряд через кристалічну структуру. Тепер це явище було виявлено в залізо-вуглецевих сплавах, що дає можливість краще зрозуміти, як внутрішнє ядро може бути одночасно твердим і м'яким.

Лабораторні експерименти

Для досліджень вчені використовували спеціальну установку для ударного стиснення зразків заліза і вуглецю. Система з двоступеневим газовим гарматним механізмом розганяла снаряди до швидкості 6,9 км/с, створюючи тиск до 140 ГПа і температуру близько 2315°C. Під час цих експериментів датчики фіксували швидкість звуку всередині сплаву, що дозволило визначити, як атоми вуглецю переміщуються через залізну структуру, знижуючи міцність на зсув.

Професор Юцзюнь Чжан зазначив, що дослідження вперше продемонструвало значне зниження швидкості зсуву у залізо-вуглецевому сплаві при умовах, подібних до внутрішнього ядра Землі. Це відкриття дозволяє точніше змоделювати механізм функціонування внутрішнього ядра планети.

Анізотропія ядра та вплив на геодинамо

Внутрішнє ядро складається переважно з заліза, однак його щільність на 3–5% менша, ніж у чистого металу. Це свідчить про присутність легших елементів, зокрема вуглецю. Для вивчення цього ефекту вчені змоделювали залізо з 1,5% вуглецю у вигляді інтерстиціального твердого розчину, де маленькі атоми вуглецю займають проміжки між атомами заліза. Це допомогло пояснити сейсмічну анізотропію ядра, коли швидкість хвиль змінюється залежно від напрямку їх поширення.

Моделювання показало, що вуглець рухається переважно певними шляхами між шарами заліза, що формує спрямовані відмінності у внутрішньому ядрі. Такі зміни в структурі можуть впливати на швидкість поширення сейсмічних хвиль у різних напрямках.

Однією з важливих тем для геофізиків є магнітне поле Землі, яке генерується геодинамо в рідкому зовнішньому ядрі. Охолодження внутрішнього ядра виділяє тепло, що сприяє виштовхуванню легких елементів, створюючи конвекційні потоки. Геофізик Юцянь Хуан підкреслив, що рух легких елементів може додатково активізувати "магнітний двигун" планети.

Комп'ютерні симуляції підтвердили, що змішаний стан твердого каркасу та рухомих атомів відповідає спостереженням за внутрішнім ядром Землі. Вчені поєднали молекулярну динаміку та вимірювання під високим тиском, що дозволило зробити ці висновки.

Тривалість доби в давнину

Попередні дослідження вказують, що близько 2–1 мільярда років тому тривалість доби на Землі була коротшою і становила близько 19 годин. Зазвичай обертання планети сповільнюється через взаємодію з Місяцем, але в протерозойську еру атмосферні припливи, викликані сонячним нагріванням, компенсували цей ефект. При певних умовах резонанс атмосферних хвиль навіть прискорював обертання Землі, стабілізуючи тривалість доби на рівні близько 19 годин.

Аналіз нових досліджень внутрішнього ядра Землі

Нещодавні дослідження китайських вчених, опубліковані в журналі National Science Review, проливають нове світло на природу внутрішнього ядра Землі. Це відкриття може змінити наше розуміння геофізичних процесів, зокрема поведінки сейсмічних хвиль та механізму формування магнітного поля планети.

Дослідники з Університету Сичуань за допомогою новітніх лабораторних методів з'ясували, що при екстремальних температурах та тиску залізо-вуглецеві сплави можуть проявляти властивості, що раніше вважалися несумісними — одночасно бути твердими і м'якими. Це, зокрема, пояснює сповільнення сейсмічних хвиль, що спостерігається при проходженні через внутрішнє ядро Землі.

Відкриття про рух атомів вуглецю через кристалічну решітку заліза ставить під сумнів старі моделі і дає нові можливості для точнішого моделювання процесів, що відбуваються у надрах планети. Це також дозволяє нам краще зрозуміти, чому внутрішнє ядро насправді є м'якшим, ніж припускали раніше.

Вивчення сейсмічної анізотропії і можливого впливу на геодинамо Землі є ще одним важливим аспектом цих досліджень. Рух атомів вуглецю в залізі може справді активізувати "магнітний двигун" планети, що підсилює наші розуміння про формування і підтримку магнітного поля.

Ці результати відкривають нові горизонти для досліджень як в області геофізики, так і в матеріалознавстві. Подальші експерименти та комп'ютерні симуляції допоможуть уточнити й підтвердити отримані висновки, що значно збагатить наші знання про внутрішню будову Землі.

Підписуйтесь на наш Телеграм канал

Підписуйтесь на наш канал і будьте в курсі всіх останніх подій України та Світу

Відкрити канал

Джерела:

• Земля може мати "маслянисте" ядро: вчені назвали це новим станом речовини