Тайны Земного ядра

Основу ядра нашей планеты составляет железо. Но сейчас ученые все лучше понимают, что еще кружится в водовороте в центре Земли. Сердцебиение нашей планеты остается загадкой для ученых, пытающихся узнать, как сформировалась Земля, и что пошло на ее создание. В ходе проведенного недавно исследования они сумели воссоздать мощное давление, действующее в центре нашей планеты, что позволило ученым бросить взгляд на ранний период ее существования и даже понять, как земное ядро может выглядеть сейчас.

О своем открытии они сообщили в последнем номере журнала Science. «Если мы выясним, какие элементы составляют ядро, мы сможем лучше понять условия, при которых сформировалась Земля, а это в свою очередь даст нам больше информации о ранней истории Солнечной системы», — говорит геохимик Анат Шахар (Anat Shahar), работающая в Вашингтоне в Институте науки Карнеги. Это также позволит ученым получить представление о том, как сформировались другие каменистые планеты в нашей Солнечной системе и за ее пределами.

Земля сформировалась примерно 4,6 миллиарда лет тому назад в результате бесчисленных столкновений твердых тел размером от Марса до мелкого астероида. По мере увеличения массы ранней Земли увеличивалось ее внутреннее давление и температура.

Это повлияло на то, как железо, составляющее большую часть земного ядра, вступало в химические реакции с более легкими элементами типа водорода, кислорода и углерода, а также с более тяжелыми металлами, отделившимися от мантии и попавшими во внутреннюю часть Земли. Мантия — это слой, находящийся непосредственно под земной корой, и перемещения расплавленной породы в этой области приводят в движение тектонические плиты.

Ученые уже давно поняли, что температурные изменения могут влиять на то, в какой степени изотоп такого элемента, как железо, становится частью ядра. Этот процесс носит название изотопное фракционирование.

Однако до сих пор давление не считалось критической переменной, влияющей на данный процесс. «В 60-е и 70-е годы проводились эксперименты в поисках последствий такого давления, но ученые ничего не нашли, — говорит Шахар. — Но сейчас мы знаем, что давление, при котором они проводили эксперименты (около двух гигапаскалей), было недостаточно мощным».

В 2009 году другой научный коллектив опубликовал работу, в которой высказал предположение, что давление могло повлиять на элементы, попавшие в земное ядро. Поэтому Шахар со своей командой решила вновь исследовать его воздействие, применив оборудование, создающее давление до 40 гигапаскалей. Это намного ближе к 60 гигапаскалям, которые ученые считают средним значением в ранний период формирования Земли.

В ходе экспериментов, проводившихся на усовершенствованном источнике фотонов в Институте Карнеги в Вашингтоне, ученые поместили между двумя алмазами небольшие образцы железа, смешанного с водородом, углеродом и кислородом. Затем плоскости этих алмазных тисков сдвинули вместе, создав колоссальное давление.

Впоследствии преобразованные образцы железа подвергли бомбардировке рентгеновскими лучами высокой энергии. «Мы используем рентгеновские лучи, чтобы испытать вибрационные свойства фаз железа», — сказала Шахар. Различные частоты вибрации указывают на то, какие изотопы железа находятся среди образцов.

Ученые выяснили, что такое мощное давление действительно влияет на изотопное фракционирование. В частности, исследовательский коллектив обнаружил, что реакция между железом и водородом или углеродом, которые должны присутствовать в ядре, должна оставлять после себя характерный след в породе мантии. Но найти такой след не удалось.

«Поэтому мы считаем, что водород и углерод — не главные легкие элементы в ядре», — заявила Шахар.
А вот сочетание железа и кислорода не могло оставить следов в мантии, как показали эксперименты ученых. Поэтому возможно, что кислород мог стать одним из наиболее легких элементов в составе земного ядра.

Эти выводы подтверждают гипотезу о том, что кислород и кремний составляют основу легких элементов, растворенных в ядре Земли, говорит геофизик из Калифорнийского технологического института в Пасадене Джозеф О’Рурк (Joseph O’Rourke), не участвовавший в этом исследовании.

«Кислород и кремний в изобилии присутствуют в мантии, и нам известно, что при высокой температуре и под большим давлением они растворяются в железе, — сказал он. — Поскольку кислород и кремний гарантированно входят в состав ядра, у других кандидатов типа водорода и углерода шансов немного».

Шахар рассказала, что ее команда намерена повторить эксперимент с кремнием и серой, которые могут входить в состав ядра. Сейчас, когда им удалось показать, что давление способно влиять на фракционирование, этот коллектив хочет посмотреть на эффект от давления и температуры в их сочетании. Они полагают, что результаты могут отличаться от тех случаев, когда давление и температура используются поодиночке. «Свои эксперименты мы проводили на образцах твердого железа при комнатной температуре. Но при формировании ядра все было в расплавленном состоянии», — сказала Шахар.

Выводы из этих экспериментов могут иметь отношение к планетам, находящимся за пределами нашей Солнечной системы, говорят ученые. «Дело в том, что мы видим только поверхность или атмосферу экзопланет, — отметила Шахар. — Но как их внутренняя часть влияет на происходящее на поверхности? Ответ на этот вопрос повлияет на то, есть или нет жизнь на этой планете».