Учёные предположили что внутреннее ядро Земли может быть заполнено необычной формой водорода
В глубинах Земли может существовать экзотическая форма водорода, которой невозможно найти аналог на поверхности нашей планеты. К такому выводу пришли исследователи, смоделировавшие поведение так называемого суперионного водорода в условиях колоссального давления и температуры, характерных для земного ядра. По мнению авторов работы, именно эта необычная форма вещества может играть важную роль в эволюции ядра и поддержании магнитного поля Земли.
Земное ядро остаётся одной из самых недоступных областей нашей планеты. По мере движения к центру давление и температура стремительно возрастают, а свойства материалов становятся всё менее похожими на те, которые можно наблюдать в обычных условиях. Именно поэтому изучать внутреннее строение Земли приходится преимущественно с помощью компьютерного моделирования и физических расчётов.
В новой работе учёные сосредоточились на суперионном водороде — особом состоянии вещества, возникающем только при экстремальных температурах и давлениях. В таком состоянии атомы железа сохраняют упорядоченную кристаллическую решётку, тогда как ядра водорода свободно перемещаются внутри неё подобно жидкости. Благодаря этому материал одновременно сочетает свойства твёрдого тела, жидкости и проводника электричества.
Чтобы понять, какая форма суперионного водорода наиболее вероятна в центре Земли, исследователи рассмотрели три возможных варианта. Два из них представляли собой сплавы железа и водорода с различной кристаллической структурой железной решётки: гексагональной плотноупакованной (HCP) и объёмноцентрированной кубической (BCC). Третьим вариантом была полностью расплавленная смесь, в которой и железо, и водород находятся в жидком состоянии.
Расчёты показали, что структура BCC обладает более высокой свободной энергией, а значит, является менее устойчивой и более реакционноспособной по сравнению с HCP. Напротив, гексагональная плотноупакованная структура оказалась значительно более стабильной с точки зрения термодинамики.
Моделирование также показало, что при температурах выше 6400 кельвинов (около 6100 °C) и содержании водорода более 20% при давлении примерно 3,6 миллиона атмосфер структура BCC теоретически может стать более устойчивой, чем HCP. Однако, по мнению исследователей, в реальных условиях внутреннего ядра столь экстремальные параметры, скорее всего, приведут к плавлению вещества раньше, чем эта структура сможет стать преобладающей.
В результате авторы пришли к выводу, что наиболее вероятной формой суперионного водорода во внутреннем ядре Земли остаётся именно структура HCP, сосуществующая с окружающим жидким железом.
Исследование также показало, что содержание водорода внутри ядра распределено неравномерно. Согласно расчётам, при движении от границы внешнего ядра к центру внутреннего ядра концентрация водорода постепенно уменьшается.
Авторы предполагают, что такой радиальный градиент заставляет суперионный водород перемещаться к границе внутреннего ядра. Там он теряет свои необычные свойства и вновь переходит в жидкую смесь, обогащая водородом внешнее ядро.
Эта модель указывает, что обмен водородом между внутренним и внешним ядром происходит не только во время постепенной кристаллизации внутреннего ядра, но и благодаря постоянному перераспределению суперионного водорода. По современным оценкам, внутреннее ядро Земли продолжает расти примерно на 1 миллиметр в год.
По мнению исследователей, оба механизма могут способствовать возникновению химической плавучести — процесса, который считается одним из важнейших источников энергии для работы геодинамо. Именно геодинамо отвечает за генерацию магнитного поля Земли, защищающего планету от солнечного ветра и космической радиации.
Учёные отмечают, что для более полного понимания строения внутреннего ядра необходимо учитывать влияние и других лёгких элементов, прежде всего кислорода и углерода, которые также могут существенно влиять на плотность и свойства вещества в центре Земли.
В целом результаты моделирования показывают, что распределение различных форм водорода во внутреннем ядре определяется главным образом температурой, а не давлением. Авторы считают, что аналогичный механизм может действовать и для других лёгких элементов, оказывая влияние на химический состав, внутреннюю динамику и эволюцию земного ядра.
Исследование в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).