Группа ученых под руководством Йельского университета, возможно, нашла новый фактор, помогающий объяснить приливы и отливы магнитного поля Земли, и это знакомо каждому, кто готовил винегрет для своего салата.
Магнитное поле Земли, создаваемое вблизи центра планеты, долгое время служило буфером от вредного излучения солнечных ветров, исходящих от Солнца. Без этой защиты жизнь на Земле не имела бы возможности процветать. Однако наши знания о магнитном поле Земли и его эволюции неполны.
В новом исследовании, опубликованном 6 мая в Proceedings of the National Academy of Sciences, доцент Йельского университета Канани К. М. Ли и ее команда обнаружили, что сплавы расплавленного железа, содержащие кремний и кислород, образуют две разные жидкости в условиях, сходных с условиями в ядре Земли. Это процесс, называемый несмешиваемостью.
Мы часто наблюдаем несмешиваемость жидкостей в повседневной жизни, например, когда масло и уксус разделяются в заправке для салата. Удивительно, что разделение жидкой фазы может происходить, когда атомы сталкиваются очень близко друг к другу под огромным давлением ядра Земли, - сказала аспирантка Йельского университета Сара Арвесон, ведущий автор исследования.
Несмешиваемость в сложных расплавленных сплавах является обычным явлением при атмосферном давлении и хорошо задокументирована металлургами и материаловедами. Но исследования несмешивающихся сплавов при более высоких давлениях были ограничены давлениями в верхней мантии Земли, расположенной между земной корой и ее ядром.
Еще глубже, на глубине 2 900 километров под поверхностью, находится внешнее ядро - слой расплавленного железа толщиной более 2 000 километров. Это источник магнитного поля планеты. Хотя эта горячая жидкость энергично перемешивается по мере конвекции, делая внешнее ядро в основном хорошо перемешанным, наверху у него есть отчетливый жидкий слой. Сейсмические волны, проходящие через внешнее ядро, распространяются в этом верхнем слое медленнее, чем в остальной части внешнего ядра.
Ученые предложили несколько теорий, объясняющих этот медленный жидкий слой, в том числе идею о том, что несмешивающиеся сплавы железа образуют слои в ядре. Но до сих пор не было никаких экспериментальных или теоретических доказательств, подтверждающих это.
Используя эксперименты с нагреваемой лазером ячейкой с алмазной наковальней для создания высоких давлений в сочетании с компьютерным моделированием, команда под руководством Йельского университета воспроизвела условия, обнаруженные во внешнем ядре. Они продемонстрировали два отдельных слоя расплавленной жидкости: бедную кислородом железо-кремниевую жидкость и железо-кремниево-кислородную жидкость. Поскольку железо-кремниево-кислородный слой менее плотный, он поднимается вверх, образуя богатый кислородом слой жидкости.
«Наше исследование представляет собой первое наблюдение несмешивающихся расплавленных металлических сплавов в таких экстремальных условиях, что намекает на то, что несмешиваемость металлических расплавов может преобладать при высоких давлениях», - сказал Ли.
Исследователи заявили, что полученные данные добавляют новую переменную для понимания условий ранней Земли, а также того, как ученые интерпретируют изменения магнитного поля Земли на протяжении всей истории.
Дополнительными авторами исследования являются Джи Денг из Йельского университета и Биджая Карки из Университета штата Луизиана. Исследование финансировали Национальный научный фонд и Консорциум космических грантов штата Коннектикут.