Внутреннее ядро Земли: смесь твердого Fe и жидких легких элементов

 Ядро Земли, глубочайшая часть нашей планеты, характеризуется очень высоким давлением и температурой. Оно состоит из жидкого наружного ядра и твердого внутреннего ядра.

Об этом рассказывают в Китайской академии наук.

Внутреннее ядро образуется и растет вследствие затвердевания жидкого железа на внутренней границе ядра. Внутреннее ядро менее плотное, чем чистое железо, и считают, что во внутреннем ядре есть некоторые легкие элементы.

Совместная исследовательская группа во главе с профессором Хэ Юй из Института геохимии Китайской академии наук (IGCAS) обнаружила, что внутреннее ядро Земли не является обычным твердым телом, а состоит из жесткой железной подрешетки и жидкоподобных легких элементов, что также известно как суперионное состояние. Жидкоподобные легкие элементы обладают высокой диффузией в железной подрешетке в условиях внутреннего ядра.

Это исследование было опубликовано в журнале Nature 9 февраля.

Суперионное состояние, являющееся промежуточным состоянием между твердым и жидким, широко распространено в недрах планет. Используя вычислительные симуляции высокого давления и высокой температуры, основанные на теории квантовой механики, исследователи из IGCAS и Центра передовых исследований высокого давления и технологий (HPSTAR) обнаружили, что некоторые сплавы Fe-H, Fe-C и Fe-O переходят в суперионное состояние в условиях внутреннего ядра

В суперионных сплавах железа легкие элементы становятся неупорядоченными и диффундируют в решетках как жидкость, тогда как атомы железа остаются упорядоченными и вибрируют вокруг своей решетки, образуя твердый железный каркас. Коэффициенты диффузии C, H и O в суперионных сплавах железа такие же, как и в жидком Fe.

«Это достаточно аномально. Затвердевание железа на внутреннем пределе ядра не изменяет подвижности этих легких элементов, и конвекция легких элементов непрерывна во внутреннем ядре», – сказал профессор Хэ Юй, первый и соответствующий автор исследования.

Одной из давних загадок внутреннего ядра является то, что оно довольно мягкое с достаточно низкой скоростью сдвиговых волн. Исследователи рассчитали сейсмические скорости в этих суперионных сплавах железа и обнаружили значительное понижение скорости сдвиговых волн. «Наши результаты хорошо совмещаются с сейсмологическими наблюдениями. Именно жидкоподобные элементы заставляют внутреннее ядро смягчаться», – сказал один из авторов работы Сунь Шичуань из IGCAS.

Высокодиффузные легкие элементы могут влиять на сейсмические скорости, что дает важные подсказки для понимания других тайн во внутреннем ядре. Анизотропную структуру, затухание сейсмических волн и структурные изменения внутреннего ядра в течение последних десятилетий можно рационализировать в суперионной модели, учитывая распределение и конвекцию этих жидкообразных элементов во внутреннем ядре.