Глибоко під поверхнею Землі знаходиться її ядро, яке поводиться так, що вчені десятиліттями намагаються знайти цьому пояснення. Нові дані свідчать про те, що тверде ядро Землі м’якше і динамічніше, ніж передбачалося раніше, пише Earth.
В ході дослідження, результати якого опубліковані в National Science Review, вчені з Університету Сичуань провели лабораторні експерименти, які показали, що під екстремальним тиском атоми вуглецю можуть вільно мігрувати в решітці заліза, знижуючи жорсткість і сповільнюючи скручувальні сейсмічні хвилі приблизно на 23%.
Таємниця “м’якого” внутрішнього ядра
Сейсмологи давно виміряли, що внутрішнє ядро уповільнює певні сейсмічні хвилі. Тепер же китайські вчені вирішили пояснити цю м’якість.
У виданні зазначили, що при достатньому нагріванні і тиску деякі кристали переходять в суперионний стан, при якому легкі атоми вільно переміщаються в твердому тілі. Більш важкі атоми каркаса зберігають свої впорядковані положення, в той час як рухливі атоми переміщаються між проміжками, а не залишаються на місці.
Матеріалознавці вивчали ці провідники в твердих тілах батарей, де рухомі іони переносять заряд через кристалічний каркас. Виявлення подібного стану в сплаві з високим вмістом заліза має важливе значення, оскільки воно змінює те, як ядро може бути одночасно твердим і м’яким.
За словами вчених, землетруси посилають в ядро зсувні хвилі, скручуючі коливання, які перевіряють жорсткість, а внутрішнє ядро Землі різко уповільнює їх. Ці швидкості становлять близько 3,5 кілометра в секунду, що набагато нижче, ніж повинно бути у більшості твердих залізних матеріалів.
Лабораторні експерименти
У виданні підкреслили, що вчені в ході лабораторних експериментів використовували ударне стиснення на зразках заліза і вуглецю. Двоступеневий газовий гарматний механізм розганяв снаряди до швидкості 6,9 кілометра в секунду і досягав 140 гігапаскалів. Температура піднялася приблизно до 2315 градусів Цельсія, а датчики відстежували швидкість звуку всередині ударного сплаву.
Крім того, дослідники помітили, що в пікових умовах атоми вуглецю швидко переміщалися через тверду залізну структуру. У цей час матеріал втрачав більшу частину своєї міцності на зсув.
“Вперше ми експериментально показали, що залізо-вуглецевий сплав в умовах внутрішнього ядра демонструє помітно низьку швидкість зсуву”, – розповів автор дослідження професор Юцзюнь Чжан.
Анізотропія ядра та внесок у геодинамо
У виданні нагадали, що внутрішнє ядро Землі в основному складається з заліза, але його щільність на 3-5% нижча, що вказує на наявність більш легких компонентів. Тому вчені перевірили залізо з вмістом вуглецю 1,5% за масою, доданого у вигляді інтерстиціального твердого розчину, в якому дрібні атоми займають проміжки.
Деякі вимірювання внутрішнього ядра показують сейсмічну анізотропію, зміну швидкості хвиль залежно від напрямку руху, що вказує на неоднорідність матеріалу. Моделювання показало, що вуглець віддає перевагу певним шляхам між шарами заліза, що може сприяти створенню спрямованих відмінностей.
Навіть невелике вирівнювання під час зростання ядра може призвести до того, що хвилі будуть поширюватися швидше в одних напрямках і повільніше в інших, підкреслили у виданні.
У виданні зазначили, що магнітне поле Землі походить від геодинамо (потоку, який генерує магнітне поле Землі, в рідкому зовнішньому ядрі). Охолодження ядра виділяє тепло та виштовхує легкі елементи з твердого заліза, що сприяє конвекції.
“На додаток до теплової та композиційної конвекції, рідиноподібний рух легких елементів може сприяти роботі магнітного двигуна Землі”, – заявив доктор Юцянь Хуан, геофізик з Університету Сичуань.
За словами вчених, комп’ютерні симуляції показали, що змішана тверда і рухома фаза може відповідати даним про внутрішнє ядро. Щоб перетворити це передбачення в доказ, знадобилися молекулярна динаміка, комп’ютерні симуляції руху атомів у часі, а також вимірювання під високим тиском.
