NSR: в самом сердце Земли ученые открыли гибридное состояние материи
фото: фрипик
Международная группа исследователей впервые экспериментально подтвердила, что внутреннее ядро Земли находится в уникальном состоянии материи, представляющем собой гибридную фазу, сочетающую свойства твердого тела и жидкости. Прорыв, осуществленный учеными из Сычуаньского университета и Института геохимии Китайской академии наук, проливает свет на ранее наблюдаемые сейсмические аномалии и открывает новые перспективы для понимания динамики земных недр и механизмов генерации магнитного поля планеты.
Долгое время внутреннее ядро, окруженное жидким внешним ядром, считалось компактным твердым телом, состоящим преимущественно из железа. Однако данные сейсмологии указывали на плотность внутреннего ядра, которая была примерно на 3-5% ниже, чем у чистого железа, что свидетельствовало о присутствии легких элементов, таких как углерод, и аномально низких скоростях прохождения сейсмических волн (3,4-3,6 км/с) по сравнению с ожидаемыми для плотного железного ядра. Высокий коэффициент Пуассона, аналогичный показателям резины или твердого масла, дополнительно подчеркивал необычайную пластичность материала.
Согласно результатам исследования, опубликованным в журнале National Science Review, эти аномалии обусловлены сверхионным состоянием железо-углеродистых сплавов, составляющих внутреннее ядро. При экстремальных давлениях и температурах углеродные атомы приобретают высокую подвижность, свободно диффундируя внутри кристаллической решетки железа. Это приводит к проявлению свойств, характерных для жидкости, при сохранении твердой и упорядоченной структуры материала.
Для проверки данной гипотезы ученые разработали специальную установку для ударного сжатия, позволяющую разгонять образцы железо-углеродистых сплавов до скоростей 7 км/с при давлении до 140 гигапаскалей и температуре более 2600 °C, что соответствует условиям верхней части внутреннего ядра. Экспериментальные измерения скорости поперечных сейсмических волн и молекулярно-динамическое моделирование продемонстрировали резкое снижение скорости волн и скачок коэффициента Пуассона в материале, достигшем сверхионного состояния.
Соавтор исследования, Юйцзюнь Чжан, отметил, что в сверхионном состоянии высокая подвижность углеродных атомов приводит к значительному снижению жесткости сплава. Это открытие трансформирует представление о внутреннем ядре, рассматривая его не как статичную и жесткую структуру, а как более динамичную и пластичную систему.
Сверхионное состояние не только объясняет аномальные сейсмические свойства внутреннего ядра, но и предоставляет ключ к пониманию его внутренней динамики, включая процессы генерации магнитного поля Земли. Свободное движение легких элементов внутри ядра может стать новым потенциальным источником энергии для геодинамо, механизма, ответственного за создание планетарного магнитного поля. Полученные данные также способствуют углублению понимания эволюции магнитных полей других каменистых планет, таких как Марс.
