Мягкое сердце Земли

Американские геофизики представили экспериментальное исследование железа, сжатого давлением около 200 гигапаскалей. В своей статье для журнала Nature Geoscience сотрудники Стенфордского университета и Стенфордского линейно-ускорительного комплекса SLAC сообщили о том, что при нагреве до 5200 градусов подобный материал должен оказаться в два с половиной раза мягче, чем обычное железо.

Исследование выполнено косвенными методами, так как напрямую оценка твердости материала внутри специального пресса затруднена, а разогрев до температур свыше пяти тысяч градусов попросту невозможен из-за отсутствия материалов требуемой жаропрочности. Вначале образец был просвечен рентгеновскими лучами, по рассеянию которых геофизики определили атомную структуру сжатого вещества и уже на основе расположения атомов определили его прочность, точнее модуль сдвига. Чем больше сила, возникающая при попытке согнуть материал, тем больше эта величина и, в первом приближении, выше прочность.

После определения модуля сдвига для образца, находящегося внутри специального пресса при комнатной температуре, ученые обратились к ранее полученным другой исследовательской группой данным о текучести материала мантии планеты. Эта информация позволила экстраполировать значения модуля сдвига на разогретое до пяти тысяч градусов железо и придти к выводу о том, что в центральной части планеты модуль сдвига железа составляет примерно один гигапаскаль. Аналогичная величина для стали составляет больше полусотни гигапаскалей, а для алюминия равна 25,5 ГПа, так что ядро планеты может быть в десятки раз мягче этого мягкого металла.

Ранее на основе сейсмологического анализа геофизики сделали вывод о неоднородности внутренней части ядра, однако детальное объяснение того, почему возникла такая неоднородность, требовало лучшего понимания механических свойств железа при экстремальных давлениях и температурах. Без разработки новых прессов с алмазными наковальнями и способных выдавать давление до 200 ГПа исследователи могли опираться только на данные численного моделирования, поэтому прошлые оценки твердости были заметно завышены.

Высокое давление приводит к тому, что даже при температурах до 5400 градусов Цельсия железо и никель внутреннего ядра остаются твердыми. Внешнее же ядро, занимающее уровень от 1200 до 2260 километров от центра планеты, остается жидким и внутри него, по современным представлениям, непрерывно циркулируют конвективные потоки. Высокая температура обусловлена как радиоактивным распадом естественных радионуклидов, так и сохранившимся со времени образования планеты теплом.