Внутреннее ядро Земли представляет собой странную смесь из суперионных жидкостей

Внутреннее ядро Земли может состоять из жидких легких элементов, вращающихся среди твердой решетки железа, согласно компьютерному моделированию.

Группа физиков недавно смоделировала, как сплавы железа и более легких элементов, таких как водород, углерод и кислород, будут вести себя при чрезвычайно высоких температурах и давлениях в центре нашей планеты. В этих условиях железная часть смеси оставалась твердой, но более легкие элементы превращались в так называемую суперионную жидкость: состояние более текучее, чем твердое тело, но не совсем такое текучее, как жидкость.

Согласно статье физика Ю Хэ из Китайской академии наук и его коллег, опубликованной в феврале в журнале Nature, это сочетание твердого железа и суперионного водорода, углерода или кислорода может объяснить несколько весьма озадачивающих вещей, которые сейсмологи наблюдали во внутренних глубинах нашей планеты.

ЧТО НОВОГО - Моделирование, проведенное им и его коллегами, предполагает, что в условиях внутреннего ядра простой сплав железа и углерода может превратиться в нечто с гораздо более сложной структурой. А это, в свою очередь, может объяснить несколько весьма озадачивающих вещей, которые сейсмологи наблюдали во внутренних глубинах нашей планеты.

В компьютерных моделях, основанных на квантовой механике, Он и его коллеги смоделировали, что произойдет с расплавленными смесями железа и различных комбинаций водорода, углерода и кислорода при температуре около 5200 градусов Цельсия и давлении около 3,6 миллионов атмосфер. Именно таким является внутреннее ядро Земли, которое начинается примерно в 5300 километрах под нашими ногами.

Оказалось, что в таких условиях железо становится твердым; его атомы остаются на одном месте, тихо вибрируя. Но атомы более легких элементов, таких как те, которые, по мнению Хе и его коллег, скорее всего, входят в состав смеси расплавленного материала в ядре Земли, больше колеблются, текут почти - но не совсем - как жидкость. В результате образуется прочный каркас из атомов железа, а в промежутках между ними плавает жидкая смесь более легких атомов.

Когда Хе и его коллеги смоделировали движение сейсмических волн через модель внутреннего ядра Земли, результаты оказались очень похожими на реальные сейсмические данные. Это подсказало исследователям, что их модель является правдоподобным объяснением того, что происходит в ядре нашей планеты. Это также позволило предположить, что суперионные жидкости в ядре Земли могут объяснить, почему сейсмические волны движутся через внутреннее ядро так, как они движутся.

ЗДЕСЬ ИСТОРИЯ - Во время землетрясения некоторые сейсмические волны, называемые поверхностными, распространяются по земной коре, а другие, называемые телесными, проходят прямо через внутреннее ядро планеты. Измерение того, как быстро волны тела проходят через слои планеты и как меняются их свойства по пути, может раскрыть информацию о структуре нашей планеты. Например, благодаря телесным волнам мы знаем, что ядро Земли имеет два слоя, а внешний слой состоит в основном из жидкого железа.

Измерение сейсмических волн, проходящих через ядро Земли, также позволило ученым узнать, что оно состоит из чего-то чуть менее плотного, чем чистое железо. Легкие элементы, такие как водород, углерод и кислород, вероятно, являются частью смеси, образуя сочетание, называемое сплавом. Эти элементы, вероятно, являются подозреваемыми, потому что это три из четырех наиболее распространенных элементов в нашей Солнечной системе, и они были частью недр Земли с момента формирования планеты.

Однако сейсмологи заметили, что определенные сейсмические волны, проходящие через внутреннее ядро Земли, замедляются гораздо сильнее, чем должны, если они проходят через твердый шар из равномерно смешанного железного сплава. Это означает, что во внутреннем ядре должно происходить что-то еще.

"Сейсмологические наблюдения показывают, что структура внутреннего ядра сложна и трудна для понимания", - пишут Хэ и его коллеги в своей статье, но они утверждают, что их недавнее моделирование может указать на ответ на то, что они называют "давней сейсмической загадкой внутреннего ядра".

ПОЧЕМУ ЭТО ВАЖНО - Он и его коллеги говорят, что их модель может объяснить, почему сейсмические волны замедляются при прохождении через внутреннее ядро Земли, а также почему сейсмические волны проходят через центр Земли примерно на 3 процента быстрее от полюса к полюсу, чем через экватор.

Волны давления, такие как звуковые и сейсмические волны, проходят быстрее через более плотные материалы. Суперионные жидкости менее плотные, чем твердые тела; их атомы находятся дальше друг от друга и движутся более свободно. Это означает, что сейсмические волны будут проходить через суперионную жидкость не так быстро, как через твердое тело, что может объяснить, почему сейсмические волны замедляются на пути через внутреннее ядро Земли.

Между тем, если атомы железа во внутреннем ядре тверды и неподвижны, то суперионные легкие элементы находятся в постоянном движении. Внутреннее ядро Земли горячее, но некоторые области горячее других. Это порождает постоянное движение, называемое конвекцией, поскольку горячий материал стремится подняться вверх, а более холодный - опуститься. Конвекция в мантии Земли заставляет тектонические плиты двигаться, вызывая землетрясения, сейсмические волны которых помогают нам понять ядро.

Если Хе и его коллеги правы, во внутреннем ядре конвекция будет поддерживать движение суперионной жидкости, протекающей среди твердой решетки атомов железа. Этот постоянный поток может означать, что некоторые части внутреннего ядра могут содержать больше твердых кусочков, чем другие, или больше жидкости. И это может объяснить, почему сейсмические волны движутся чуть быстрее от полюса к полюсу.

"Это явление может дать альтернативную интерпретацию разного времени прохождения подобных землетрясений", - пишут Хе и его коллеги.

Лучшее понимание того, как работают суперионные жидкости в ядре Земли, может помочь нам понять и другие миры. Некоторые планетологи также предполагают, что суперионные жидкости могут существовать в недрах ледяных гигантов, таких как Нептун, Уран, и экзопланет аналогичных размеров.

Что дальше - Земля имеет магнитное поле, потому что жидкое железо внешнего ядра также движется благодаря конвекции, и это движение создает гигантский электромагнит в центре нашей планеты. Он и его коллеги предполагают, что магнитное поле Земли может также влиять на то, как суперионные углерод, водород и кислород перемещаются во внутреннем ядре.

С другой стороны, глубоко внутри ледяных гигантов Нептуна и Урана конвектирующие суперионные жидкости могут действительно влиять на магнитные поля планет.

Чтобы понять, существует ли связь между магнитными полями и суперионными жидкостями во внутреннем ядре Земли, потребуются дальнейшие исследования, но полученные результаты могут рассказать нам кое-что новое о динамо, которое питает нашу планету.