Ученые, возможно, выяснили, почему ядро Земли остается твердым

У ученых, кажется, появилось новое объяснение тому, почему земное ядро сохраняет твердое состояние, несмотря на то что его температура выше, чем температура поверхности Солнца. Оказывается, это может быть связано с атомной архитектурой кристаллизованного железного «шарика», расположенного в центре нашей планеты.

Исследователи предполагают, что для земного ядра может быть свойственно никогда невиданное доселе атомное состояние, которое позволяет ему выдерживать невероятные температуры и давление, характерные, согласно расчетам, для центра нашей планеты. Если ученые правы в этом вопросе, то это, возможно, поможет решить еще одну загадку, которая не давала покоя многие десятилетия.

Группа исследователей из шведского Королевского технологического института в Стокгольме использовали Triolith – один из самых производительных суперкомпьютеров страны – для симуляции атомного процесса, который бы мог происходить на глубине около 6400 километров под поверхностью земли. Как и в случае с любым другим металлом, атомные структуры железа способны изменяться под воздействием изменения температуры и давления. При комнатной температуре и при обычном давлении железо находится в так называемой фазе объёмно-центрированной кубической структуры (ОЦК) кристаллической решетки. Под высоким же давлением решетка переходит в гексагональную плотноупакованную фазу. Этими терминами описывается расположение атомов внутри кристаллической решетки металла, которые, в свою очередь, отвечают за прочность и другие его свойства, вроде того, останется ли металл в этом случае в твердом состоянии или нет.

Ранее считалось, что твердое, кристаллизованное состояние железа в земном ядре объясняется тем, что оно находится в гексагональной плотноупакованной фазе кристаллической решетки, так как условия для ОЦК здесь слишком нестабильны. Однако новое исследование может указывать на то, что среда в центре нашей планеты на самом деле закаляет и уплотняет состояние ОЦК, а не разрушает.

«В условиях земного ядра ОЦК решетка железа демонстрирует ранее невиданную картину диффузии атомов. ОЦК-фаза проходит под девизом «что меня не убивает, то делает сильнее». Нестабильность способна прервать ОЦК-фазу при низкой температуре, однако высокая температура, наоборот, повышает стабильность этой фазы», — говорит ведущий исследователь Анатолий Белоношко.

В качестве аналогии повышенной активности атомов в железе в центре Земли Белоношко приводит колоду тасующихся карт, где атомы (представленные картами) могут постоянно и очень быстро между собой перемешиваться под воздействием повышенной температуры и давления, но при этом колода остается единым целым. И показатели эти очень впечатляют: в 3,5 миллиона раз выше того давления, что мы испытываем на поверхности, и примерно на 6000 градусов Цельсия выше температура.

Данные, полученные с помощью суперкомпьютера Triolith, также показывают, что до 96 процентов (выше, чем показывали предыдущие расчеты) от массы внутреннего земного ядра, вероятнее всего, приходится именно на железо. Оставшаяся часть приходится на никель и другие легкие элементы.

Еще одна загадка, которая может быть решена благодаря последним исследованиям, заключается в том, почему сейсмические волны двигаются быстрее между полюсами, а не через экватор. Это явление часто называют анизотропией. Исследователи говорят, что особенности поведения ОЦК решетки в железе под воздействием экстремальных условий, свойственных для центра Земли, могут быть достаточны для крупномасштабного эффекта анизотропии, что, в свою очередь, создает для ученых еще одно поле для исследований в будущем.

Важно отметить, что это предположение выведено на базе конкретно взятых компьютерных симуляций внутренних динамических процессов Земли, и на базе других моделей результаты подсчетов могут отличаться. До тех пор, пока мы не придумаем, как опустить на такую глубину соответствующие научные инструменты, мы не сможем со стопроцентной уверенностью говорить о правильности расчетов. А учитывая ту температуру и давление, которые там могут иметь место, получение прямых доказательств активности ядра планеты, возможно, для нас будет и вовсе невозможным.

И все же, несмотря на сложности, важно продолжать подобные исследования, потому что как только мы сможем больше узнать о том, что же на самом деле происходит внутри нашей планеты, у нас будет больше шансов на то, чтобы узнать, что будет дальше.