Исследование, проведённое учёными из Оксфордского университета, Лидского университета и Университетского колледжа Лондона, позволило выявить новые ограничения в химии земного ядра. Учёные показали, как оно могло кристаллизоваться миллионы лет назад. Исследование [опубликовано](https://doi.org/10.1038/s41467-025-62841-4) в журнале Nature Communications.
Исследователи доказали, что для начала кристаллизации ядро должно было содержать 3,8% углерода. Это указывает на то, что углерода в ядре Земли может быть больше, чем считалось ранее, и что этот элемент мог сыграть ключевую роль в его замерзании.
Внутреннее ядро Земли
Внутреннее ядро Земли, твёрдая масса, богатая железом, в центре нашей планеты, медленно растёт по мере того, как окружающее его расплавленное внешнее ядро охлаждается и замерзает. Но этот процесс десятилетиями был предметом споров среди учёных.
Формирование внутреннего ядра зависит не только от определения момента, когда ядро охладилось до своей [температуры замерзания](https://phys.org/tags/freezing+point/), но и от процесса кристаллизации, который зависит от его точного химического состава.
Предыдущие расчёты
Предыдущие расчёты показали, что для начала замерзания ядра, если бы оно состояло из чистого железа, потребовалось бы переохлаждение на 800–1000 °C. Однако если бы ядро было переохлаждено до такой степени, исследователи показали, что внутреннее ядро значительно выросло бы, а магнитное поле Земли исчезло бы. Но ни один из этих сценариев не произошёл в истории нашей планеты. Вместо этого учёные считают, что в прошлом ядро могло охладиться не более чем примерно на 250 °C ниже точки плавления.
Новое исследование
Новое исследование было направлено на понимание того, как внутреннее ядро существует в том виде, в каком оно наблюдается сегодня, при таком ограниченном переохлаждении в прошлом. Без [прямого доступа](https://phys.org/tags/direct+access/) к глубоким слоям Земли исследовательской группе пришлось полагаться на компьютерное моделирование процесса замерзания.
Они рассмотрели присутствие других элементов, в частности кремния, серы, кислорода и углерода, и то, как они могут повлиять на процесс замерзания.
«Каждый из этих элементов присутствует в вышележащей мантии и мог быть растворён в ядре в течение истории Земли», — объяснил соавтор исследования, доцент Эндрю Уокер (кафедра наук о Земле, Оксфордский университет).
«В результате это может объяснить, почему у нас есть твёрдое внутреннее ядро с относительно небольшим переохлаждением на этой глубине. Присутствие одного или нескольких из этих элементов также может объяснить, почему ядро менее плотное, чем чистое железо, что является ключевым наблюдением сейсмологии».
Используя компьютерное моделирование на атомном уровне, исследователи отслеживали, как часто образовывались небольшие кристаллические кластеры атомов из жидкости. Эти события «зарождения» являются первыми шагами к замерзанию.
Они обнаружили, что кремний и сера, элементы, которые часто предполагалось присутствуют в ядре, на самом деле замедляют процесс замерзания. С другой стороны, они обнаружили, что углерод помог ускорить замерзание в симуляции.
Ведущий автор доктор Альфред Уилсон (Школа окружающей среды и Земли, Лидский университет) сказал: «Интересно наблюдать, как процессы на атомном уровне контролируют фундаментальную структуру и динамику нашей планеты. Изучая, как образовалось внутреннее ядро Земли, мы не только узнаём о прошлом нашей планеты. Мы получаем редкую возможность заглянуть в химию региона, которого мы никогда не сможем достичь напрямую, и узнать, как она может измениться в будущем».
Учёные десятилетиями спорили о том, когда внутреннее ядро начало затвердевать. Одни утверждают, что внутреннее ядро древнее (замерзание началось более двух миллиардов лет назад), другие предполагают, что оно гораздо моложе (менее полумиллиарда лет). Благодаря новой информации о содержании углерода в ядре мы стали на шаг ближе к пониманию его химии и физических свойств, а значит, и его эволюции.
Предоставлено [University of Oxford](https://phys.org/partners/oxford-university/)