Сенсация из недр: Ученые зафиксировали гибридное состояние внутреннего ядра Земли

Прорыв в геофизике: Ядро Земли в «суперионной фазе»

Недавние экспериментальные исследования привели к открытию, которое может кардинально изменить наши представления о строении самой сердцевины нашей планеты. Ученые впервые экспериментально подтвердили существование так называемой суперионной фазы в веществе, составляющем твердое внутреннее ядро Земли. Это состояние представляет собой уникальный гибрид, сочетающий свойства твердого тела и жидкости, и, по мнению исследователей, объясняет давние загадки сейсмической активности.

Открытие, результаты которого были опубликованы в авторитетном научном журнале National Science Review (NSR), демонстрирует, что в условиях экстремального давления и температур, царящих в центре планеты, железо не просто остается твердым, но и ведет себя весьма специфично. Несмотря на сохранение упорядоченной кристаллической решетки, характерной для твердых тел, более легкие элементы, присутствующие в сплаве, демонстрируют поразительную подвижность, словно ведут себя как жидкость.

Это противоречие — твердый каркас с «текучими» включениями — долгое время не вписывалось в устоявшуюся классическую модель, согласно которой внутреннее ядро считалось полностью монолитно твердым. Новые данные, полученные в ходе лабораторных испытаний, наконец-то находят объяснение давно наблюдаемому феномену — аномально низкой скорости прохождения поперечных сейсмических волн через внутреннее ядро, зафиксированной при анализе землетрясений.

Лабораторное воссоздание недр планеты

Чтобы подтвердить теоретические предсказания, сделанные ранее, международная группа исследователей сосредоточилась на моделировании условий, приближенных к параметрам земных глубин. В ходе экспериментов ученые использовали сплав железа с углеродом, который считается наиболее вероятным аналогом материала внутреннего ядра. Воздействие на образцы осуществлялось при помощи высокоскоростных ударных установок, которые позволили за доли микросекунды создать давление, достигающее 140 гигапаскалей, и температуру, сравнимую с температурой на поверхности Солнца.

Проведенные измерения с использованием рентгеновской дифракции показали, что атомы железа сохраняют свою кристаллическую структуру, образуя стабильный каркас. Однако атомы углерода, являющиеся более легкими примесями, мигрируют и диффундируют сквозь этот каркас с высокой скоростью. Один из ведущих специалистов сравнил это движение с «детьми, снующими сквозь решетку во время танца».

Последствия для геофизики и магнитного поля

Обнаруженное «суперионное» состояние, по сути, делает внутреннее ядро значительно менее жестким, чем можно было бы ожидать от обычного твердого железа при таких условиях. Эта «мягкость» структуры и является ключом к пониманию того, почему сейсмические волны замедляются, проходя сквозь этот слой.

Эксперты отмечают, что это открытие имеет далеко идущие последствия. Моделирование внутреннего ядра, как самого удаленного и наименее изученного слоя, критически важно для понимания глобальной динамики Земли. В частности, подвижность легких элементов, вероятно, вносит вклад в энергетические процессы, поддерживающие магнитное поле планеты.

Магнитное поле, генерируемое конвекцией в жидком внешнем ядре, защищает жизнь на поверхности от космической радиации. Понимание новых механизмов в твердом внутреннем ядре может пролить свет на историю формирования и будущую стабильность этого защитного щита.

Уточнение моделей строения

Это открытие смещает акценты от статической, жесткой модели внутреннего ядра к более динамичной картине. Кроме того, результаты исследования могут помочь в интерпретации других недавних данных. Например, недавние сейсмологические исследования предполагали, что ядро может иметь слоистую структуру, подобную луковице, с различиями в анизотропии сейсмических волн в зависимости от направления их прохождения.

Например, ученые из Мюнстерского университета ранее изучали влияние кремния и углерода на кристаллическую решетку железа, пытаясь объяснить сейсмическую анизотропию. Результаты, полученные сейчас, подтверждают, что присутствие и состояние легких элементов напрямую влияет на кристаллическую ориентацию (LPO), что, в свою очередь, сказывается на скорости прохождения звуковых волн. Таким образом, эта новая «суперионная» концепция укладывается в общую картину усложнения внутреннего строения Земли, о котором все чаще говорят геофизики.

Значение для науки в Прибалтийском регионе

Хотя эксперименты проводились в крупных мировых лабораториях, их результаты имеют значение и для региональных исследований. В частности, сейсмологические станции, действующие в странах Балтии, включая Латвию, вносят свой вклад в глобальную сеть мониторинга. Сейсмотектонический анализ в Латвии, который ведется с использованием данных международных сетей, позволяет фиксировать сейсмические события и изучать распространение волн. Улучшенное понимание поведения этих волн в ядре позволяет более точно интерпретировать данные, получаемые с местных станций, и глубже понять общие геофизические процессы, влияющие на структуру Земли, под которой лежит и Прибалтийский щит.