Ученые подтвердили существование загадочного состояния материи в ядре Земли

Ученые выпустили крошечные снаряды железоуглеродистого сплава из высокоскоростной пушки и продемонстрировали тем самым, что странное частично твердое, частично жидкое состояние, которое, как считалось, существует внутри ядра Земли, действительно возможно, сообщает Science Alert. 

Это суперионное состояние материи может объяснить некоторые необычные явления в ядре. Например, замедление определенных волн. Кроме того, он может объяснить результаты измерений, которые свидетельствуют о том, что ядро мягкое, как масло, а не твердое, как сталь.

ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ

В ядре Земли есть огромный резерв золота — исследование

«Впервые мы экспериментально показали, что сплав железа и углерода в условиях внутреннего ядра демонстрирует удивительно низкую скорость сдвига. В этом состоянии атомы углерода становятся очень подвижными, диффундируя через кристаллический каркас железа подобно детям, танцующим танцы, в то время как само железо остается твердым и упорядоченным. Эта так называемая «суперионная фаза» значительно снижает жесткость сплава», — заявил физик Юцзюнь Чжан из Сычуаньского университета в Китае.

Начиная с 1930-х годов, преобладающее представление о внутреннем строении Земли основывалось на модели жидкого, расплавленного внешнего ядра и внутреннего ядра, настолько сжатого давлением, что оно остается твердым, несмотря на интенсивное тепловое воздействие. Но сейсмические наблюдения показали, что это не полная картина.

Понимание внутренней структуры Земли основано на сейсмических данных. То, как акустические волны распространяются и отражаются от материалов с различными свойствами, позволило ученым получить довольно подробное представление о внутренней архитектуре нашей планеты. Но низкая скорость сдвиговых волн, особенно в ядре, говорит о том, что если оно и твердое, то не в том виде, к которому мы привыкли.

В 2022 году группа исследователей под руководством геофизика Ю Хэ из Китайской академии наук теоретически продемонстрировала, что суперионность может разрешить эту загадку. В то время как огромное давление всего веса Земли во внутреннем ядре удерживает железо в твердой матрице, экстремальная температура позволяет более легким атомам течь и двигаться подобно жидкости. В суперионном состоянии вещество одновременно является и твердым, и жидким.

И теперь возможность этого подтвердили экспериментально. Чжан, Хэ и их коллеги использовали метод, называемый динамическим ударным сжатием, чтобы сжать небольшой кусочек железоуглеродистого сплава настолько сильно, что он стал вести себя так, если бы находился внутри ядра Земли.

Для ускорения образцов исследователи использовали газовые пушки — высокоточные устройства, использующие бездымный порох и сжатый газ для разгона мельчайших частиц до экстремальных скоростей.

В ходе эксперимента ученые запускали железоуглеродистый снаряд со скоростью более семи километров в секунду по сильно сжатой мишени из фторида лития. Удар генерирует обратную ударную волну, которая сжимает образец до давления до 140 гигапаскалей и температуры около 2600 Кельвинов (2327 градусов Цельсия).

Это не так экстремально, как во внутреннем ядре, где диапазон давления составляет от 330 до 360 гигапаскалей, а температура достигает 5000–6000 Кельвинов, но достаточно высоко, чтобы воспроизвести ключевые аспекты среды ядра.

Исследователи показали, что в этих условиях железная матрица остается прочно зафиксированной на месте, а углерод перемещается между зазорами. 

Ранее ученые объяснили появление загадочных «капель» в недрах Земли.