Широко признано, что внутреннее ядро Земли сформировалось около миллиарда лет назад, когда твердый, сверхгорячий железный самородок начал спонтанно кристаллизоваться внутри шара из жидкого металла диаметром 4 200 миль в центре планеты..
Одна проблема: это невозможно - или, по крайней мере, это никогда не было легко объяснено - согласно новой статье, опубликованной в Earth and Planetary Science Letters группой ученых из Университета Кейс Вестерн Резерв.
Исследовательская группа, состоящая из докторанта Людовика Хьюге; профессора наук о Земле, окружающей среде и планетах Джеймс Ван Орман и Стивен Хок II; и профессор материаловедения и инженерии Мэтью Уиллард - называют эту загадку «парадоксом зарождения внутреннего ядра».
Этот парадокс звучит так: ученым уже более 80 лет известно, что существует кристаллизованное внутреннее ядро. Но команда Case Western Reserve утверждает, что эта общепринятая идея упускает из виду один критический момент, который, если его добавить, предполагает, что внутреннее ядро не должно существовать.
Внутреннее противоречие
И вот почему: хотя хорошо известно, что материал должен иметь температуру замерзания или ниже, чтобы быть твердым, оказывается, что для получения первого кристалла из жидкости требуется дополнительная энергия. Эта дополнительная энергия - барьер зародышеобразования - является компонентом, который до сих пор не включался в модели глубочайших недр Земли.
Чтобы преодолеть барьер зародышеобразования и начать затвердевать, жидкость должна быть охлаждена значительно ниже точки замерзания - то, что ученые называют «переохлаждением».
В качестве альтернативы, в жидкий металл ядра в центре планеты необходимо добавить что-то другое, что существенно уменьшит величину необходимого переохлаждения.
Но барьер зарождения металла - при необычайном давлении в центре Земли - огромен.
«Кажется, все, включая нас самих, упускают из виду одну большую проблему - металлы не начинают кристаллизоваться мгновенно, если только не существует чего-то, что значительно снижает энергетический барьер», - сказал Хаук.
Команда Case Western Reserve утверждает, что самые очевидные решения вызывают подозрение:
» То, что внутреннее ядро каким-то образом подверглось сильному переохлаждению примерно на 1 800 градусов по Фаренгейту (1 000 градусов по Кельвину) - ученые пришли к выводу, что это гораздо больше, чем охлаждение. Если бы центр Земли достиг этой температуры, то почти все ядро должно было бы быстро кристаллизоваться, но факты указывают на то, что это не так.
Что-то произошло, чтобы снизить барьер зародышеобразования, позволив кристаллизации происходить при более высокой температуре. Ученые делают это в лаборатории, добавляя кусок твердого металла к слегка переохлажденному жидкому металлу, в результате чего получается гетерогенный материал. чтобы быстро затвердеть. Но трудно понять в масштабе Земли, как это могло произойти, как твердое тело, усиливающее зародышеобразование, могло найти свой путь к центру планеты, чтобы обеспечить затвердевание (и расширение) внутреннего ядра - сказал Хьюге.
«Итак, если ядро представляет собой чистую (гомогенную) жидкость, внутреннее ядро вообще не должно существовать, потому что оно не могло быть переохлаждено до такой степени», - сказал Ван Орман. А если он не однородный, то как он стал таким?
"Это парадокс зарождения внутреннего ядра."
Возможные ответы
Тогда как образовалось твердое внутреннее ядро?
На данный момент излюбленная идея команды сродни второму решению выше: большие тела твердого металла медленно опускались из каменистой мантии в ядро, чтобы снизить барьер зарождения.
Но для этого потребуется массивный самородок - может быть, размером с большой город - достаточно тяжелый, чтобы провалиться сквозь мантию, а затем достаточно большой, чтобы превратить его в ядро без полного растворения.
Если это так, «нам нужно выяснить, как это могло произойти на самом деле», - сказал Ван Орман.
С другой стороны, - сказал он, - есть ли какая-то обычная особенность планетарных ядер, о которой мы не думали раньше, что-то, что позволяет им преодолевать барьер зарождения?
"Пришло время всему сообществу подумать об этой проблеме и о том, как ее протестировать. Внутреннее ядро существует, и теперь нам предстоит выяснить, как оно туда попало."