Глубоко под расплавленным внешним ядром Земли скрывается плотная центральная область — внутреннее ядро. Эта компактная сфера, состоящая из сплава железа и легких элементов, подвергается давлению, превышающему 3,3 миллиона атмосфер, и нагрета до температур, сопоставимых с поверхностью Солнца. На протяжении многих лет исследователи сталкивались с загадкой: несмотря на то что внутреннее ядро является твердым, оно ведет себя как размягченный металл. Оно замедляет поперечные сейсмические волны и демонстрирует коэффициент Пуассона, который ближе к маслу, чем к стали. Этот парадокс породил фундаментальный вопрос: как твердый центр планеты может быть одновременно прочным и удивительно податливым?
Крупное исследование, опубликованное в журнале National Science Review, предлагает убедительное объяснение этой головоломки. Команда ученых сообщает, что внутреннее ядро Земли ведет себя не как обычное твердое тело. Вместо этого оно существует в суперподвижном состоянии, где легкие элементы перемещаются сквозь стабильную железную решетку, словно жидкость. Это открытие коренным образом меняет наше представление о самой глубокой части нашей планеты.
Данное исследование, проведенное под руководством профессора Юцзюна Чжана и доктора Юцяня Хуана из Сычуаньского университета, а также профессора Ю Хэ из Института геохимии Китайской академии наук, показало, что при экстремальных условиях, характерных для внутреннего ядра, железоуглеродные сплавы переходят в суперподвижную фазу. В такой среде атомы углерода с высокой скоростью перемещаются сквозь железную решетку, значительно снижая жесткость сплава.
Профессор Чжан подчеркивает: «Впервые мы экспериментально продемонстрировали, что железоуглеродный сплав в условиях внутреннего ядра обладает удивительно низкой скоростью сдвига. В этом состоянии атомы углерода становятся чрезвычайно подвижными, диффундируя сквозь кристаллическую структуру железа, подобно детям, бегающим на массовом танце, в то время как само железо остается твердым и упорядоченным. Эта так называемая «суперподвижная фаза» значительно снижает жесткость сплава».
Хотя компьютерное моделирование еще в 2022 году предполагало, что внутреннее ядро может находиться в этой необычной форме, подтвердить это в лабораторных условиях было крайне сложно — до недавнего времени. Используя платформу динамического ударного сжатия, исследователи разгоняли образцы железоуглеродных сплавов до 7 километров в секунду, достигая давления до 140 гигапаскалей и температур около 2600 кельвинов. Таким образом, им удалось максимально точно воспроизвести условия, характерные для внутреннего ядра Земли.
Сочетая измерения скорости звука in-situ с передовыми симуляциями молекулярной динамики, команда обнаружила резкое снижение скорости поперечных волн и заметное увеличение коэффициента Пуассона. Эти результаты полностью совпадают с неожиданно «мягкими» сейсмическими характеристиками, зарегистрированными внутри Земли. На атомном уровне данные показали, что атомы углерода свободно перемещаются сквозь упорядоченную структуру железа, ослабляя ее, но не приводя к разрушению решетки.
Суперподвижная модель не только объясняет давние сейсмические аномалии, но и расширяет наше понимание того, как внутреннее ядро влияет на внутренние процессы Земли. Движение легких элементов может объяснить сейсмическую анизотропию — направленные изменения скорости сейсмических волн — а также сыграть важную роль в поддержании магнитного поля Земли.
Доктор Хуан добавляет: «Атомная диффузия внутри внутреннего ядра представляет собой ранее упущенный из виду источник энергии для геодинамо. В дополнение к тепловой и композиционной конвекции, жидкоподобное движение легких элементов может способствовать поддержанию магнитного «двигателя» Земли».
Это исследование также проясняет дискуссии о поведении легких элементов под экстремальным давлением. Более ранние работы в основном были сосредоточены на соединениях или сплавах замещения, но эта работа подчеркивает ключевую роль твердых растворов внедрения (особенно тех, которые содержат углерод) в контроле физических свойств ядра.
По словам профессора Чжана, эти результаты знаменуют собой серьезное изменение в интерпретации внутреннего ядра учеными. Он объясняет: «Мы отходим от статической, жесткой модели внутреннего ядра к динамической».
Последствия этого открытия выходят за пределы Земли. Идентификация суперподвижной фазы во внутреннем ядре может улучшить наше понимание магнитной и тепловой эволюции других каменистых планет и экзопланет. Как отмечает Чжан, «понимание этого скрытого состояния материи приближает нас к разгадке тайн недр землеподобных планет».
Исследование было поддержано Национальным фондом естественных наук Китая, Сычуаньской программой науки и технологий и Молодежной междисциплинарной командой КАН.
