Ядро Земли состоит в основном из огромного шара из жидкого металла, лежащего на глубине 3000 км под ее поверхностью, окруженного мантией из раскаленных пород. Примечательно, что на таких больших глубинах и ядро, и мантия подвержены чрезвычайно высоким давлениям и температурам. Кроме того, исследования показывают, что медленный ползучий поток горячих плавучих пород, перемещающийся на несколько сантиметров в год, уносит тепло от ядра к поверхности, что приводит к очень постепенному охлаждению ядра в течение геологического времени. Однако степень охлаждения ядра Земли с момента ее образования является предметом интенсивных споров среди ученых Земли.
В 2013 году Кей Хиросе, нынешний директор Института наук о Земле и жизни (ELSI) в Токийском технологическом институте (Tokyo Tech), сообщил, что ядро Земли, возможно, остыло на целых 1000 градусов по Цельсию с момента ее образования. формирование 4,5 миллиарда лет назад. Это большое охлаждение было бы необходимо для поддержания геомагнитного поля, если бы не было другого, пока еще не открытого источника энергии. Эти результаты стали большим сюрпризом для сообщества глубинной Земли и создали то, что Питер Олсон из Университета Джона Хопкинса назвал «Новым парадоксом тепла ядра» в статье, опубликованной в журнале Science..
Охлаждение активной зоны и источники энергии для геомагнитного поля были не единственными трудностями, с которыми столкнулась команда. Еще одним нерешенным вопросом была неопределенность в отношении химического состава ядра. «Ядро в основном состоит из железа и некоторого количества никеля, но также содержит около 10% легких сплавов, таких как кремний, кислород, сера, углерод, водород и другие соединения», - Хиросе, ведущий автор нового исследования, которое будет опубликовано в журнале. Природа.«Мы думаем, что одновременно присутствует много сплавов, но мы не знаем долю каждого элемента-кандидата».
Теперь, в этом последнем исследовании, проведенном в лаборатории Хиросе в ELSI, ученые использовали алмазы точной огранки, чтобы сжать крошечные образцы размером с пыль до тех же давлений, которые существуют в ядре Земли. Высокие температуры в недрах Земли создавались путем нагревания образцов лазерным лучом. Проводя эксперименты с рядом вероятных составов сплавов в различных условиях, Хиросе и его коллеги пытаются определить уникальное поведение различных комбинаций сплавов, которые соответствуют особой среде, существующей в ядре Земли.
Поиск сплавов начал приносить полезные результаты, когда Хиросе и его сотрудники начали смешивать более одного сплава. «В прошлом большинство исследований сплавов железа в активной зоне были сосредоточены только на железе и одном сплаве», - говорит Хиросе. «Но в этих экспериментах мы решили объединить два разных сплава, содержащих кремний и кислород, которые, как мы твердо верим, существуют в ядре."
Исследователи были удивлены, обнаружив, что, когда они исследовали образцы в электронном микроскопе, небольшое количество кремния и кислорода в исходном образце объединились вместе, чтобы сформировать кристаллы диоксида кремния - тот же состав, что и найденный минерал кварц. на поверхности Земли.
«Этот результат оказался важным для понимания энергетики и эволюции ядра», - говорит Джон Хернлунд из ELSI, соавтор исследования. «Мы были взволнованы, потому что наши расчеты показали, что кристаллизация кристаллов диоксида кремния из ядра может обеспечить огромный новый источник энергии для питания магнитного поля Земли». Дополнительный импульс, который он обеспечивает, достаточен, чтобы разрешить парадокс Олсона.
Команда также изучила значение этих результатов для формирования Земли и условий в ранней Солнечной системе. Кристаллизация изменяет состав ядра путем постепенного удаления растворенного кремния и кислорода с течением времени. В конце концов процесс кристаллизации остановится, когда в ядре закончатся его древние запасы либо кремния, либо кислорода.
«Даже если у вас есть кремний, вы не можете получить кристаллы диоксида кремния без кислорода», - говорит ученый ELSI Джордж Хелфрих, который смоделировал процесс кристаллизации для этого исследования. «Но это дает нам подсказки об исходной концентрации кислорода и кремния в ядре, потому что только некоторые соотношения кремний:кислород совместимы с этой моделью».