Новое открытие, сделанное исследовательской группой из Оксфордского, Лидсского университетов и Университетского колледжа Лондона, проливает свет на состав ядра Земли и механизм его кристаллизации, произошедшей миллионы лет назад.
Исследователи установили, что для начала процесса затвердевания ядро должно было содержать не менее 3,8% углерода. Этот факт указывает на то, что концентрация углерода в ядре Земли может быть выше, чем предполагалось ранее, и что этот элемент сыграл решающую роль в его затвердевании. Открытие предоставляет уникальную возможность для изучения процессов, происходящих в глубинных слоях нашей планеты.
Внутреннее ядро Земли, представляющее собой твердую массу, богатую железом и расположенную в центре планеты, постепенно увеличивается в размерах по мере охлаждения и затвердевания окружающего его расплавленного внешнего ядра. Этот процесс вызывает научные дискуссии на протяжении многих лет.
Формирование внутреннего ядра Земли определяется не только достижением температуры замерзания, но и процессом кристаллизации, который зависит от точного химического состава. Подобно переохлажденной воде в облаках, необходимо переохлаждение расплавленного железа, чтобы начался процесс затвердевания.
Предыдущие расчеты показывали, что для начала затвердевания ядра потребуется переохлаждение на 800–1000 °C. Однако, как показали исследования, в таком случае внутреннее ядро значительно увеличилось бы в размерах, а магнитное поле Земли исчезло бы, что не наблюдалось в истории планеты. Ученые считают, что ядро могло остыть не более чем на 250 °C ниже точки плавления.
В новом исследовании ученые хотели выяснить, каким образом внутреннее ядро Земли приобрело современную структуру, учитывая незначительное переохлаждение, имевшее место в прошлом. Из-за невозможности непосредственного изучения глубин Земли, исследователи использовали компьютерное моделирование для изучения процесса кристаллизации.
Они обратили внимание на наличие примесей, в частности, кремния, серы, кислорода и углерода, и проанализировали их потенциальное влияние на процесс замерзания.
"Каждый из этих элементов находится в вышележащей мантии и, следовательно, мог проникнуть в ядро в течение геологической истории Земли, — объяснил соавтор исследования, профессор Эндрю Уокер из Оксфордского университета. — Это могло стать причиной наличия твёрдого внутреннего ядра, сформировавшегося при относительно небольшом переохлаждении на такой глубине. Присутствие одного или нескольких из этих элементов также может объяснить пониженную плотность ядра по сравнению с чистым железом, что является важным сейсмологическим наблюдением".
Используя атомное моделирование, охватывающее около 100 000 атомов при экстремально низких температурах и давлениях, сравнимых с условиями внутри ядра, исследователи отслеживали частоту образования микроскопических кластеров атомов, подобных кристаллам. Эти "зародыши кристаллизации" являются первыми этапами замерзания.
Результаты оказались неожиданными: кремний и сера, часто предполагаемые компоненты ядра, фактически замедляют процесс затвердевания. Другими словами, для формирования внутреннего ядра потребовалось бы большее переохлаждение, если бы эти элементы были в избытке в данной области Земли.
С другой стороны, моделирование показало, что углерод способствовал ускорению замерзания. В ходе исследования ученые оценили степень переохлаждения, необходимую для замерзания внутреннего ядра, если 2,4% его массы состоит из углерода. Результат составил примерно 420 °C, что по-прежнему велико, но ближе к реалистичному значению.
При экстраполяции результатов на случай, когда 3,8% массы ядра составляет углерод, требуемая степень переохлаждения снизилась до 266 °C. Это единственный известный состав, который может объяснить как зарождение, так и наблюдаемый размер внутреннего ядра.
Эти данные указывают на то, что углерод может быть более распространен в ядре Земли, чем считалось ранее, и что без него формирование твёрдого внутреннего ядра могло бы не произойти.
Эксперименты также демонстрируют, что кристаллизация ядра могла происходить при определенном химическом составе, и, в отличие от образования града, без "зародышей нуклеации" – мельчайших частиц, запускающих процесс замерзания. Это критически важно, поскольку прежние симуляции показывали, что все потенциальные зародыши нуклеации в ядре расплавлялись или растворялись.
Ведущий автор, доктор Альфред Уилсон из Университета Лидса, отметил: "Удивительно наблюдать, как процессы атомного масштаба определяют фундаментальную структуру и динамику нашей планеты. Изучая формирование внутреннего ядра Земли, мы не только узнаём о прошлом нашей планеты, но и получаем редкую возможность изучить химический состав области, недоступной для прямого исследования, и понять, как она может измениться в будущем".
Десятилетиями ученые спорят о времени начала затвердевания внутреннего ядра. Одни считают, что оно началось очень давно (более двух миллиардов лет назад), другие же предполагают гораздо более молодой возраст (менее полумиллиарда лет). Новые сведения о содержании углерода в ядре приближают нас к пониманию его состава, физических свойств и, следовательно, его эволюции.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Изображение: phys.org
