Учёные обнаружили нечто странное в центре Земли

Парадокс в сердце планеты

Внутреннее ядро Земли расположено на глубине более пяти тысяч километров. Оно сжато давлением, превышающим 3,3 миллиона атмосфер, и разогрето до температур, сопоставимых с поверхностью Солнца. По всем расчётам, при таких условиях железо должно оставаться твёрдым — и действительно, долгое время считалось, что ядро представляет собой монолитный металлический шар.

Однако сейсмографы по всему миру фиксировали нечто странное. Сейсмические волны, проходя через внутреннее ядро, замедлялись сильнее, чем должны были бы, если бы ядро было однородным твёрдым телом. Его механические характеристики напоминали скорее масло, чем сталь. Десятилетиями учёные не могли объяснить этот парадокс: как твёрдое тело способно вести себя столь мягко и пластично? Об этом рассказал научный журнал «ScienceDaily».

Атомы в танце: что такое суперионное состояние

Ответ оказался неожиданным. Профессор Юйцзюнь Чжан и доктор Юйцянь Хуан совместно с коллегами установили: внутреннее ядро Земли существует в так называемом суперионном состоянии. Это означает, что атомы углерода, входящие в состав железо-углеродного сплава, не зафиксированы в кристаллической решётке, а свободно перемещаются сквозь неё — почти как жидкость внутри твёрдого каркаса.

Сам профессор Чжан описал это образно: атомы углерода снуют сквозь упорядоченную решётку железа подобно детям, которые вьются между взрослыми на площади во время народного танца. Железо при этом остаётся структурно упорядоченным, тогда как углерод приобретает почти жидкостную подвижность. Именно эта подвижность и делает ядро «мягким» с точки зрения распространения сейсмических волн.

Эксперимент под экстремальным давлением

Предположения о суперионном состоянии ядра высказывались ещё в 2022 году — на основе компьютерного моделирования. Но подтвердить их в лаборатории долго не удавалось. Команде удалось это сделать с помощью установки динамического ударного сжатия: образцы железо-углеродного сплава разгонялись до скорости 7 километров в секунду, создавая давление до 140 гигапаскалей при температуре около 2600 кельвин — условия, максимально близкие к тем, что царят в ядре Земли.

Измерения скорости звука в образцах в сочетании с молекулярно-динамическим моделированием зафиксировали резкое падение скорости поперечных волн и значительный рост коэффициента Пуассона. Иными словами — именно тот «мягкий» отклик, который сейсмографы регистрировали в недрах планеты. Загадка, копившаяся десятилетиями, получила экспериментальное подтверждение.

Что это значит для всей планеты

Открытие суперионного состояния ядра имеет последствия, далеко выходящие за рамки минералогии. Учёные выделяют сразу несколько важных выводов:

• Магнитное поле Земли может частично питаться за счёт движения атомов углерода в ядре — это ранее не учитывавшийся источник энергии для геодинамо;
• Сейсмическая анизотропия — различие в скоростях сейсмических волн в зависимости от направления — также объясняется подвижностью лёгких элементов в решётке железа;
• Модели других планет придётся пересмотреть: суперионное состояние может существовать в ядрах других скалистых планет и экзопланет, влияя на их магнитную и тепловую эволюцию.