Парадокс пропавшего ксенона может звучать как название последнего триллера об аэропорте, но на самом деле это проблема, которая десятилетиями ставит геофизиков в тупик. Новая работа международной команды, в которую входят Александр Гончаров и Ханью Лю из Карнеги, а также выпускники Карнеги Элиссайос Ставроу и Сергей Лобанов, пытается найти решение этой давней загадки.
Загадка проистекает из метеоритов, которые хранят записи о самых ранних днях нашей Солнечной системы. Один тип, называемый углеродистыми хондритами, содержит некоторые из самых примитивных известных образцов материала Солнечной системы, в том числе гораздо больше ксенона, чем содержится в атмосфере нашей планеты.
«Ксенон является одним из семи элементов, называемых благородными газами, некоторые из которых, такие как гелий и неон, широко известны», - сказал ведущий автор Ставроу, работающий сейчас в Ливерморской национальной лаборатории, о работе команды. статья в Physical Review Letters. «Их название происходит от своего рода химической отчужденности; обычно они не соединяются и не реагируют с другими элементами».
Поскольку ксенон плохо сочетается с другими, его дефицит в атмосфере Земли - даже по сравнению с другими, более легкими благородными газами, такими как криптон и аргон, которые, согласно теоретическим предсказаниям, должны быть еще более истощены, чем ксенон - это трудно объяснить.
Это не значит, что многие не пробовали.
Эта исследовательская группа, в которую также входили Янсун Яо из Университета Саскачевана, Джозеф Зауг из LLNL, Эран Гринберг и Виталий Пракапенка из Чикагского университета, сосредоточила свое внимание на идее, что отсутствующий ксенон может можно найти глубоко внутри Земли, особенно скрытой в соединениях с никелем и, особенно, железом, которое составляет большую часть ядра планеты.
Давно известно, что, хотя ксенон не образует соединений в условиях окружающей среды, при экстремальных температурах и давлениях недр планеты он не так уж отстранен.
«Когда ксенон раздавливается экстремальным давлением, его химические свойства изменяются, что позволяет ему образовывать соединения с другими элементами», - пояснил Лобанов.
Используя нагреваемую лазером ячейку с алмазной наковальней, исследователи воспроизвели условия, обнаруженные в ядре Земли, и использовали передовые спектроскопические инструменты, чтобы наблюдать, как ксенон взаимодействует как с никелем, так и с железом.
Они обнаружили, что ксенон и никель образуют XeNi3 при давлении почти в 1,5 миллиона раз выше нормального атмосферного (150 гигапаскалей) и при температурах выше примерно 1200 градусов Цельсия (1500 градусов по Кельвину). Кроме того, при давлении, почти в 2 миллиона раз превышающем нормальное атмосферное давление (200 гигапаскалей) и при температуре выше примерно 1700 градусов по Цельсию (2000 градусов по Кельвину), они синтезировали сложные соединения XeFe3.
«Наше исследование дает первые экспериментальные доказательства того, что ранее теоретизированные соединения железа и ксенона существуют в условиях, обнаруженных в ядре Земли», - сказал Гончаров. «Однако маловероятно, что такие соединения могли быть созданы в начале истории Земли, когда ядро еще только формировалось, а давление недр планеты не было столь велико, как сейчас».
Исследователи выясняют, мог ли двухстадийный процесс формирования захватить ксенон в ранней мантии Земли, а затем включить его в XeFe3, когда ядро отделилось и давление увеличилось. Но многое еще предстоит сделать.