Ядро, богатое железом, в центре нашей планеты играет ключевую роль в эволюции Земли. Оно не только поддерживает магнитное поле, которое защищает нашу атмосферу и океаны от солнечной радиации, но и влияет на тектонику плит, которая постоянно меняет очертания континентов.
Однако, несмотря на его важность, многие фундаментальные свойства ядра остаются неизвестными. Мы не знаем точно, насколько оно горячее, из чего состоит и когда начало замерзать. Недавно сделанное мной и моими коллегами открытие приблизило нас к ответам на все эти вопросы.
Температура и состав внутреннего ядра
Температура внутреннего ядра Земли составляет примерно 5000 Кельвин (4727 °C). Когда-то оно было жидким, но со временем охладилось и затвердело, расширяясь наружу. По мере охлаждения оно отдаёт тепло мантии, что приводит в движение потоки, лежащие в основе тектоники плит.
То же охлаждение генерирует магнитное поле Земли. Большая часть энергии поля сегодня поступает от замерзания жидкой части ядра и роста твёрдого внутреннего ядра в его центре.
Однако, поскольку мы не можем получить доступ к ядру, нам приходится оценивать его свойства, чтобы понять, как оно охлаждается.
Изучение плавления
Ключевой частью понимания ядра является знание его температуры плавления. Мы знаем, где находится граница между твёрдым внутренним ядром и жидким внешним ядром благодаря сейсмологии (изучению землетрясений). Температура ядра должна равняться его температуре плавления в этом месте, потому что именно здесь оно замерзает. Таким образом, если мы точно знаем температуру плавления, мы можем узнать больше о точной температуре ядра — и о том, из чего оно состоит.
Традиционно у нас есть два способа выяснить, из чего состоит ядро: изучение метеоритов и сейсмология. Анализируя химический состав метеоритов, которые, как считается, являются кусочками планет, которые так и не сформировались, или кусочками ядер разрушенных планет, похожих на Землю, мы можем получить представление о том, из чего может состоять наше ядро.
Проблема в том, что это даёт нам только приблизительное представление. Метеориты показывают, что ядро должно состоять из железа и никеля, а также, возможно, из нескольких процентов кремния или серы. Но быть более точными сложно.
Сейсмология, с другой стороны, гораздо более конкретна. Когда звуковые волны от землетрясений проходят через планету, они ускоряются и замедляются в зависимости от материалов, через которые проходят. Сравнивая время в пути этих волн от землетрясения до сейсмометра с тем, как быстро волны распространяются через минералы и металлы в экспериментах, мы можем получить представление о том, из чего состоит внутренняя часть Земли.
Оказывается, эти времена в пути требуют, чтобы ядро Земли было примерно на 10% менее плотным, чем чистое железо, и чтобы жидкое внешнее ядро было плотнее твёрдого внутреннего ядра. Только некоторые известные химические вещества ядра могут объяснить эти свойства.
Новое исследование
В нашем новом исследовании мы использовали физику минералов, чтобы изучить, как ядро могло начать замерзать, обнаружив новый способ понимания химии ядра. И этот подход оказался даже более конкретным, чем сейсмология и метеориты.
Исследования, моделирующие то, как атомы в жидких металлах объединяются, чтобы сформировать твёрдые тела, показали, что некоторым сплавам требуется более интенсивное «переохлаждение», чем другим. Переохлаждение — это когда жидкость охлаждается ниже своей температуры плавления. Чем интенсивнее переохлаждение, тем чаще атомы будут объединяться, образуя твёрдые тела, что ускоряет замерзание жидкости. Бутылка с водой в вашем морозильнике может быть переохлаждена до -5 °C в течение нескольких часов перед замерзанием, тогда как град образуется за минуты, когда капли воды охлаждаются до -30 °C в облаках.
Исследуя все возможные температуры плавления ядра, мы обнаружили, что наиболее переохлаждённым ядро могло быть примерно на 420 °C ниже температуры плавления — любое большее значение, и внутреннее ядро было бы больше, чем показывает сейсмология. Но чистое железо требует невозможных ~1000 °C переохлаждения для замерзания. Если охладить его настолько, замёрзло бы всё ядро, что противоречит наблюдениям сейсмологов.
Добавление кремния и серы, которые, как предполагают и метеориты, и сейсмология, могут присутствовать в ядре, только усугубляет проблему — требуется ещё большее переохлаждение.
Наше новое исследование исследует влияние углерода на ядро. Если 2,4% массы ядра составляет углерод, потребуется около 420 °C переохлаждения, чтобы начать замерзание внутреннего ядра. Это первый раз, когда было показано, что замерзание ядра возможно. Если содержание углерода в ядре составляет 3,8%, потребуется только 266 °C переохлаждения. Это всё ещё много, но гораздо более правдоподобно.
Это новое открытие показывает, что, хотя сейсмология может сузить возможные химические составы ядра до нескольких различных комбинаций элементов, многие из них не могут объяснить наличие твёрдого внутреннего ядра в центре планеты.
Ядро не может состоять только из железа и углерода, потому что сейсмические свойства ядра требуют наличия по крайней мере ещё одного элемента. Наше исследование предполагает, что в нём, скорее всего, присутствует немного кислорода, а также, возможно, кремния.
Это знаменует значительный шаг к пониманию того, из чего состоит ядро, как оно начало замерзать и как оно сформировало нашу планету изнутри.