Раскрытие секретов мягкого ядра Земли: Удивительное движение атомов железа

Ученых давно интересует твердое железное ядро Земли, расположенное на глубине около 5100 км под нашими ногами. Недавние открытия показали, что эта внутренняя сфера не такая гладкая, как считалось ранее, а скорее текстурированная и способна менять направление вращения каждые семь десятилетий. Теперь группа исследователей считает, что им удалось обнаружить причину неожиданной мягкости ядра: движение его атомов.

Традиционно считалось, что атомы железа во внутреннем ядре Земли плотно упакованы в гексагональную структуру, создающую твердую и жесткую массу в условиях огромного давления и высоких температур. Однако сейсмические наблюдения опровергли это представление, показав, что внутреннее ядро ведет себя скорее как мягкие металлы, такие как свинец и расплавленное железо.

Чтобы понять этот феномен, физик Юджун Чжан из Сычуаньского университета (Китай) вместе с коллегами из США и Китая провел серию компьютерных симуляций и лабораторных экспериментов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что атомы железа во внутреннем ядре не являются неподвижными, а меняют положение в своей гексагональной решетке.

Чжан поясняет: "Твердое железо становится удивительно мягким в глубине Земли, поскольку его атомы могут перемещаться гораздо сильнее, чем мы могли себе представить. Это движение делает внутреннее ядро менее жестким, слабее противостоящим силам сдвига".

В предыдущих компьютерных моделях внутреннего ядра Земли моделировалось лишь небольшое количество атомов, расположенных в повторяющейся гексагональной структуре. Некоторые ученые предполагали, что наблюдаемые свойства ядра могут быть объяснены наличием в нем карманов расплава. Однако Чжан и его коллеги утверждают, что эти карманы были бы выдавлены при застывании ядра, что не дает исчерпывающего объяснения его податливости.

Чтобы получить более полное представление о динамике решетки, исследователи использовали суперкомпьютер и алгоритм машинного обучения для моделирования атомной среды с более чем 10 000 атомов. При этом использовались данные, полученные в ходе лабораторных экспериментов при высоких давлениях и температурах, имитирующих условия внутреннего ядра Земли.

Моделирование показало, что при давлениях от 230 до 330 ГПа и температурах чуть ниже температуры плавления железа атомы железа демонстрируют коллективное движение. Один атом выскакивает из своего равновесного положения и толкает соседние атомы, вызывая быструю диффузию за пикосекунды без нарушения структуры решетки. В результате этого движения ядро ведет себя как чрезвычайно мягкое твердое тело.

Важно отметить, что эти выводы основаны на теоретических расчетах вещества, которое ученые не могут непосредственно исследовать. Однако они хорошо согласуются с результатами сейсмических наблюдений, что позволяет получить ценные сведения о природе внутреннего ядра Земли.

Это открытие открывает новые возможности для изучения динамики земного ядра и его влияния на геологию и магнитное поле нашей планеты. Как заключает Чжан, "понимание поведения внутреннего ядра Земли имеет решающее значение для разгадки тайн прошлого нашей планеты и прогнозирования ее будущего".