Новое состояние вещества в центре Земли

Внутреннее ядро Земли десятилетиями считалось твёрдым металлическим шаром, скрытым под слоем расплавленного железа. Однако новые эксперименты показали: в экстремальных условиях планетарных глубин вещество там ведёт себя иначе. Учёные обнаружили признаки сверхионного состояния — редкой формы материи, сочетающей твёрдую структуру и подвижность, подобную жидкости.

Парадокс твёрдого, но мягкого ядра

В самом центре нашей планеты находится внутреннее ядро — плотная сфера радиусом около 1220 километров. Давление здесь превышает 3,3 миллиона атмосфер, а температура сравнима с температурой поверхности Солнца. По классическим представлениям, эта область состоит главным образом из железа с примесью лёгких элементов — углерода, кремния или серы.

Однако сейсмические наблюдения давно вызывали недоумение. Поперечные волны проходят через внутреннее ядро заметно медленнее, чем ожидалось для твёрдого металла. Кроме того, коэффициент Пуассона здесь ближе к значениям мягких материалов, чем к стали. Получалось, что центр планеты одновременно и твёрдый, и удивительно податливый.

Эксперимент при экстремальных условиях

Группа китайских исследователей под руководством профессора Чжан Юцзюня и доктора Хуан Юйцянь из Сычуаньского университета совместно с учёными Института геохимии Китайской академии наук провела серию динамических экспериментов. Образцы сплава железа с углеродом подвергались ударному сжатию: их разгоняли до скоростей порядка семи километров в секунду.

В результате создавались давления до 140 гигапаскалей и температуры около 2600 кельвинов — параметры, близкие к условиям внутреннего ядра. Одновременно измерялась скорость распространения звуковых волн и проводилось компьютерное моделирование движения атомов.

Сверхионная фаза: твёрдая решётка и текучие атомы

Результаты оказались неожиданными. При таких нагрузках железо сохраняет жёсткую гексагональную кристаллическую решётку, но атомы углерода начинают свободно перемещаться внутри неё. Они не разрушают структуру металла, а скользят сквозь неё, словно частицы жидкости в твёрдом каркасе.

Такое состояние называют сверхионным. Оно известно в физике как промежуточная форма между твёрдым телом и жидкостью. Внутренняя структура остаётся упорядоченной, однако лёгкие элементы приобретают высокую подвижность. Именно это объясняет снижение жёсткости и замедление сейсмических волн.

Измерения показали резкое падение скорости поперечных волн и рост коэффициента Пуассона — именно такие параметры регистрируют геофизики при анализе землетрясений. Теоретическая загадка, существовавшая десятилетиями, получила экспериментальное подтверждение.

Динамичное сердце планеты

Новая модель меняет представление о центре Земли. Внутреннее ядро больше нельзя считать полностью статичным телом. Подвижность лёгких элементов может создавать дополнительный источник энергии для геодинамо — механизма, поддерживающего магнитное поле планеты.

Ранее считалось, что главную роль играют тепловые потоки и конвекция во внешнем ядре. Теперь же предполагается, что диффузия атомов углерода внутри кристаллической решётки железа тоже способна вносить вклад в перераспределение энергии и анизотропию распространения волн.

Открытие важно не только для понимания Земли. Сверхионные фазы могут существовать и в недрах других каменистых планет, а также экзопланет, чьи размеры и давление превышают земные. Это даёт новые ключи к объяснению происхождения их магнитных полей и тепловой эволюции.

Статья по теме на LifeGlobe: Что произойдет, если ядро Земли остынет?

Переосмысление глубин

Современная наука постепенно отказывается от упрощённой картины «твёрдого шара» в центре планеты. В действительности глубинные процессы оказываются куда сложнее и тоньше. Даже в условиях чудовищного давления материя способна проявлять неожиданные свойства, открывая новые границы физики твёрдого тела.

Сверхионное состояние впервые обсуждалось при изучении льда в недрах Урана и Нептуна. Теперь аналогичный тип материи обнаружен в сплавах железа, что показывает: экзотические формы вещества могут существовать не только в далёких планетах-гигантах, но и в самом сердце Земли.