Обнаружено движение атомов железа во внутреннем ядре Земли
Ядро Земли состоит в основном из железа, хотя в небольших количествах могут присутствовать и другие элементы, например никель. Именно здесь, на глубине более 5100 км, атомы подвергаются давлению, в несколько миллионов раз превышающему давление в атмосфере. В результате они прижимаются друг к другу, образуя компактную кристаллическую решетку. Однако исследователи обнаружили несколько тонкостей.
Экстремальная и захватывающая среда
Одной из наиболее интригующих особенностей внутреннего ядра является исключительно низкая скорость сдвиговых волн по сравнению с обычными твердыми материалами. Это позволяет предположить, что внутреннее ядро состоит в основном из твердого железа, но в особом кристаллическом состоянии.
Кроме того, это твердое ядро обладает сверхвысоким коэффициентом Пуассона. Это показатель деформации материала при воздействии на него напряжения. Высокое значение коэффициента Пуассона означает, что при продольном растяжении материал склонен сжиматься в поперечном направлении.
Эти уникальные свойства внутреннего ядра Земли являются следствием экстремальных условий, царящих на глубине нескольких тысяч километров под поверхностью планеты. Однако физические механизмы, которые бы последовательно объясняли эти свойства, до сих пор вызывают споры. Причина этого заключается в том, что ученые не могут взять пробы непосредственно из внутреннего ядра Земли из-за чрезвычайно высоких температур и давления.
В рамках новой работы ученые попытались воссоздать эти условия в лаборатории, взяв небольшую железную пластину и выстрелив в нее высокоскоростным снарядом. Данные о температуре, давлении и скорости, собранные в ходе эксперимента, были затем интегрированы в компьютерную модель для автоматического изучения атомов внутреннего ядра.
Неожиданные движения
Ученые считают, что атомы железа во внутреннем ядре расположены в повторяющейся гексагональной конфигурации. Однако большинство компьютерных моделей, описывающих динамику решетки железа в ядре, демонстрируют лишь небольшое число атомов, что ограничивает наше понимание этих движений. В данном случае, используя алгоритм искусственного интеллекта, исследователи смогли значительно расширить атомное окружение, создав "суперячейку" из примерно 30 000 атомов, что позволило более достоверно предсказать свойства железа.
При таком масштабе группа атомов перемещается гораздо быстрее, чем считалось ранее, меняя местами друг друга, сохраняя при этом общую гексагональную структуру.
По мнению исследователей, эти движения атомов могут объяснить, почему сейсмические измерения внутреннего ядра показывают гораздо более мягкую и податливую среду (как упоминалось выше), чем можно было бы ожидать при таких давлениях. Эти движения делают внутреннее ядро менее жестким и более слабым в отношении сдвиговых сил.
По мнению исследователей, около половины геодинамической энергии, генерирующей магнитное поле Земли, приходится на внутреннее ядро, а остальная часть — на внешнее. Таким образом, новая работа может стать основой для будущих исследований того, как энергия и тепло генерируются в этой области центра Земли и как они взаимодействуют для создания магнитного поля, без которого не может быть жизни на нашей планете.
Подробности исследования в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.