Несмотря на то, что она горячее, чем поверхность Солнца, кристаллизованное железное ядро Земли остается твердым. Новое исследование Королевского технологического института KTH в Швеции может, наконец, положить конец давнему спору о том, как это возможно, а также о том, почему сейсмические волны распространяются с большей скоростью между полюсами планеты, чем через экватор..
В расплавленном ядре Земли вращается хрустальный шар - на самом деле массивное образование почти чистого кристаллизованного железа - размером почти с Луну. Понимание этой странной, ненаблюдаемой особенности нашей планеты зависит от знания атомной структуры этих кристаллов - то, что ученые пытались сделать в течение многих лет.
Как и у всех металлов, кристаллическая структура железа атомного масштаба меняется в зависимости от температуры и давления, которым подвергается металл. Атомы упакованы в вариации кубических, а также гексагональных образований. При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении железо находится в так называемой объемно-центрированной кубической (ОЦК) фазе, которая представляет собой кристаллическую архитектуру с восемью угловыми точками и центральной точкой. Но при чрезвычайно высоком давлении кристаллические структуры трансформируются в 12-гранные гексагональные формы или в плотноупакованную (ГПУ) фазу.
В ядре Земли, где давление в 3,5 миллиона раз превышает давление на поверхности, а температура примерно на 6 000 градусов выше, ученые предположили, что атомная структура железа должна быть гексагональной. Вопрос о том, существует ли ОЦК-железо в центре Земли, обсуждался в течение последних 30 лет, и недавнее исследование 2014 года исключило его, утверждая, что ОЦК будет нестабильным в таких условиях..
Однако в недавнем исследовании, опубликованном в Nature Geosciences, исследователи из KTH обнаружили, что железо в ядре Земли действительно находится в фазе BCC. Анатолий Белоношко, научный сотрудник физического факультета КТХ, говорит, что, когда исследователи изучили более крупные расчетные образцы железа, чем те, которые изучались ранее, характеристики железа ОЦК, которые, как считалось, делали его нестабильным, в конечном итоге сделали прямо противоположное.
«В условиях ядра Земли ОЦК-железо демонстрирует невиданную ранее картину атомной диффузии», - говорит Белоношко.
Белоношко говорит, что данные также показывают, что чистое железо, вероятно, составляет 96 процентов состава внутреннего ядра, наряду с никелем и, возможно, легкими элементами.
Их выводы сделаны на основе кропотливого компьютерного моделирования, выполненного с использованием Triolith, одного из крупнейших шведских суперкомпьютеров. Эти симуляции позволили им заново интерпретировать наблюдения, собранные три года назад в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии. «Похоже, что экспериментальные данные, подтверждающие стабильность ОЦК-железа в Ядре, были перед нами - мы просто не знали, что это на самом деле означает», - говорит он.
При низкой температуре ОЦК неустойчива и кристаллические плоскости выскальзывают из идеальной ОЦК структуры. Но при высоких температурах стабилизация этих структур начинается почти как в карточной игре - с перетасовки «колоды». Белоношко говорит, что при сильном нагреве ядра атомы уже не принадлежат плоскостям из-за большой амплитуды движения атомов.
«Скольжение этих самолетов немного похоже на перетасовку колоды карт», - объясняет он. «Несмотря на то, что карты расставлены по-разному, колода все равно остается колодой. Точно так же железо BCC сохраняет свою кубическую структуру».
Такая перетасовка приводит к огромному увеличению распределения молекул и энергии, что приводит к увеличению энтропии или распределения энергетических состояний. Это, в свою очередь, делает BCC стабильным.
Обычно диффузия разрушает кристаллические структуры, превращая их в жидкость. В этом случае диффузия позволяет железу сохранить ОЦК-структуру.«Этап BCC проходит под девизом: «Что меня не убивает, делает меня сильнее», - говорит Белоношко. «Нестабильность убивает ОЦК-фазу при низкой температуре, но делает ОЦК-фазу стабильной при высокой температуре».
Он говорит, что эта диффузия также объясняет, почему ядро Земли анизотропно, то есть имеет направленную текстуру, как волокна дерева. Анизотропия объясняет, почему сейсмические волны распространяются между полюсами Земли быстрее, чем через экватор.
"Уникальные особенности фазы Fe ОЦК, такие как высокотемпературная самодиффузия даже в чистом твердом железе, могут быть ответственны за формирование крупномасштабных анизотропных структур, необходимых для объяснения анизотропии внутреннего ядра Земли, " он говорит. «Диффузия позволяет легко текстурировать железо в ответ на любой стресс».
Предсказание открывает путь к пониманию внутренней части Земли и, в конечном итоге, к предсказанию будущего Земли, говорит Белоношко.«Конечная цель наук о Земле - понять прошлое, настоящее и будущее Земли, и наши предсказания позволяют нам сделать именно это».