Глубоко под поверхностью Земли находится ее ядро, которое ведет себя так, что ученые десятилетиями пытаются найти этому объяснение. Новые данные свидетельствуют о том, что твердое ядро Земли более мягкое и динамичное, чем долгое время предполагалось, пишет Earth.
В ходе исследования, результаты которого опубликованы в National Science Review, ученые из Университета Сычуань провели лабораторные эксперименты, показавшие, что под экстремальным давлением атомы углерода могут свободно мигрировать в решетке железа, снижая жесткость и замедляя скручивающие сейсмические волны примерно на 23%.
Тайна "мягкого" внутреннего ядра
Сейсмологи давно измерили, что внутреннее ядро замедляет определенные сейсмические волны. Теперь же китайские ученые решили объяснить эту мягкость.
В издании отметили, что при достаточном нагревании и давлении некоторые кристаллы переходят в суперионное состояние, при котором легкие атомы свободно перемещаются в твердом теле. Более тяжелые атомы каркаса сохраняют свои упорядоченные положения, в то время как подвижные атомы перемещаются между промежутками, а не остаются на месте.
Материаловеды изучали эти проводники в твердых телах батарей, где движущиеся ионы переносят заряд через кристаллический каркас. Обнаружение подобного состояния в сплаве с высоким содержанием железа имеет важное значение, поскольку оно меняет то, как ядро может быть одновременно твердым и мягким.
По словам ученых, землетрясения посылают в ядро сдвиговые волны, скручивающие колебания, которые проверяют жесткость, а внутреннее ядро Земли резко замедляет их. Эти скорости составляют около 3,5 километра в секунду что намного ниже, чем должно быть у большинства твердых железных материалов.
Лабораторные эксперименты
В издании подчеркнули, что ученые в ходе лабораторных экспериментов использовали ударное сжатие на образцах железа и углерода. Двухступенчатый газовый пушечный механизм разгонял снаряды до скорости 6,9 километра в секунду и достигал 140 гигапаскалей. Температура поднялась примерно до 2315 градусов Цельсия, а датчики отслеживали скорость звука внутри ударного сплава.
Кроме того, исследователи заметили, что в пиковых условиях атомы углерода быстро перемещались через твердую железную структуру. В это время материал терял большую часть своей прочности на сдвиг.
"Впервые мы экспериментально показали, что железо-углеродный сплав в условиях внутреннего ядра демонстрирует заметно низкую скорость сдвига", - рассказал автор исследования профессор Юцзюнь Чжан.
Анизотропия ядра и вклад в геодинамо
В издании напомнили, что внутреннее ядро Земли в основном состоит из железа, но его плотность на 3-5% ниже, что указывает на наличие более легких компонентов. Поэтому ученые проверили железо с содержанием углерода 1,5% по массе, добавленного в виде интерстициального твердого раствора, в котором мелкие атомы занимают промежутки.
Некоторые измерения внутреннего ядра показывают сейсмическую анизотропию, изменение скорости волн в зависимости от направления движения, что указывает на неоднородность материала. Моделирование показало, что углерод предпочитает определенные пути между слоями железа, что может способствовать созданию направленных различий.
Даже небольшое выравнивание во время роста ядра может привести к тому, что волны будут распространяться быстрее в одних направлениях и медленнее в других, подчеркнули в издании.
В издании отметили, что магнитное поле Земли происходит от геодинамо (потока, который генерирует магнитное поле Земли, в жидком внешнем ядре). Охлаждение ядра выделяет тепло и выталкивает легкие элементы из растущего твердого железа, что способствует конвекции.
"В дополнение к тепловой и композиционной конвекции, жидкоподобное движение легких элементов может способствовать работе магнитного двигателя Земли", - заявил доктор Юцянь Хуан, геофизик из Университета Сычуань.
По словам ученых, компьютерные симуляции показали, что смешанная твердая и подвижная фаза может соответствовать данным о внутреннем ядре. Чтобы превратить это предсказание в доказательство, потребовались молекулярная динамика, компьютерные симуляции движения атомов во времени, а также измерения под высоким давлением.
Раньше сутки на Земле длились всего 19 часов
Ранее ученые заявили, что в далеком прошлом Земля пережила длительный период, когда ее вращение почти не менялось, а продолжительность суток составляла около 19 часов. Это происходило в середине протерозойской эры - примерно от 2 до 1 миллиарда лет назад.
Обычно вращение Земли замедляется из-за приливного взаимодействия с Луной, которая "отбирает" часть вращательной энергии планеты. Однако авторы исследования обнаружили, что в докембрии этот эффект почти полностью компенсировался атмосферными приливами, вызванными солнечным нагревом.
При определенных условиях эти атмосферные волны входили в резонанс и создавали момент, который ускорял вращение Земли, уравновешивая тормозящее влияние Луны. В результате продолжительность суток стабилизировалась на уровне примерно 19 часов.
