Железо внутреннего ядра Земли может находиться в странном "суперионном" состоянии, показало исследование

Глубоко под земной корой, за толстой мантией и жидким внешним ядром, находится 1 220-километровый (760 миль) шар твердого внутреннего ядра.

Однако новое исследование показало, что внутреннее ядро вовсе не твердое, а образует "суперионное состояние" с водородом, кислородом и углеродом, что делает его непохожим ни на жидкость, ни на твердое тело.

Мы не можем спуститься на расстояние 6 371 км (3 959 миль) к центру Земли, чтобы проверить, что происходит, поэтому ученые используют естественные земные буры - сейсмические волны от землетрясений - чтобы понять состав нашей планеты.

Однако даже с учетом этих измерений внутреннее ядро остается в некотором роде загадкой. В 1930-х годах косвенные свидетельства указывали на то, что оно может быть твердым, а несколько десятилетий спустя считалось, что оно представляет собой кристаллическое железо. Но этот невероятно горячий, невероятно плотный шар в центре нашей планеты все еще заставляет нас гадать, что же там происходит.

Из данных сейсмических волн мы знаем, что внутреннее ядро мягкое, с низкой скоростью сдвиговых волн, а это значит, что оно не может быть просто твердым железом или сплавом железа. Некоторые ученые считают, что там может быть второе внутреннее ядро, другие полагают, что из-за меньшей плотности, чем можно было бы ожидать от чистого железа, там могут быть какие-то легкие элементы в качестве сплава.

Однако новое исследование, проведенное под руководством Ю Хэ из Китайской академии наук, позволило изучить потенциальную фазу материи, в которой может существовать эта смесь элементов, и прийти к предположению, что "твердое" состояние ядра на самом деле может быть суперионным состоянием.

"Мы обнаружили, что водород, кислород и углерод в гексагональном тесно упакованном железе переходят в суперионное состояние в условиях внутреннего ядра, демонстрируя высокие коэффициенты диффузии, как жидкость", - пишет команда в своей новой работе.

"Это говорит о том, что внутреннее ядро может находиться в суперионном состоянии, а не в обычном твердом".

Суперионное состояние - это еще одно состояние материи, наряду с твердым, жидким и газообразным, но с явными отличиями. В суперионной воде, которая недавно была получена в лаборатории, чрезвычайно высокие температуры и давление разрушают каждую молекулу воды, оставляя ионы кислорода в твердом состоянии, в то время как ионы водорода плавают вокруг, скорее, как жидкость.

В горячем внутреннем ядре Земли команда использовала компьютерное моделирование того, как сейсмические волны проходят через различные комбинации элементов, и обнаружила, что сплавы железа с углеродом, водородом и кислородом могут работать так же, как и суперионная вода.

Атомы железа были "твердыми" в структуре кристаллической решетки, в то время как молекулы углерода, водорода и кислорода диффундировали через среду, создавая элемент, похожий на жидкость.

"Это довольно аномально", - сказал Хе. "Затвердевание железа на границе внутреннего ядра не изменяет подвижность этих легких элементов, а конвекция легких элементов непрерывна во внутреннем ядре".

Эта работа вряд ли станет последним словом по данному вопросу. Выводы работы дают хорошую модель для этого более мягкого и менее плотного чистого железа, но не отвечают на другой вопрос о внутреннем ядре - почему оно кажется неравномерным по всей длине.

Для этого нам просто придется продолжать копать.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.