Ядро Земли питает магнитное поле, защищающее атмосферу и океаны от солнечной радиации, и влияет на тектонику плит, непрерывно изменяющую облик континентов. По мере остывания и замерзания жидкого ядра оно отдает тепло в мантию, вызывая конвекционные потоки, которые движут тектонические плиты. Замерзание жидкого ядра и рост твердого внутреннего ядра являются сегодня основным источником энергии для магнитного поля. Несмотря на его критическую важность, до сих пор неизвестны точная температура ядра, его точный химический состав и время, когда оно начало замерзать.
Ядро состоит из твердого внутреннего и жидкого внешнего ядра. Твердая часть растет по мере того, как жидкая остывает и кристаллизуется на границе раздела. Температура ядра составляет примерно 5000 Кельвинов (4727°C), и температура на границе внутреннего и внешнего ядра соответствует температуре плавления его вещества.
Традиционно состав ядра пытались определить двумя методами. Первый — анализ метеоритов, которые считаются остатками не сформировавшихся планет или ядрами разрушенных землеподобных планет. Эти данные указывают, что ядро состоит в основном из железа и никеля с небольшой долей кремния или серы, но дают лишь общее представление.
Второй метод — сейсмология, изучение звуковых волн от землетрясений. Скорость этих волн меняется в зависимости от материалов, через которые они проходят. Сейсмологические данные показали, что ядро Земли примерно на 10% менее плотное, чем чистое железо, и что жидкое внешнее ядро плотнее твердого внутреннего. Этот метод более точен, но все еще допускает множество химических комбинаций, температура плавления которых может различаться на сотни градусов.
Новый подход, основанный на минеральной физике, моделирует, как атомы в жидких металлах образуют твердые тела, и фокусируется на концепции «переохлаждения». Переохлаждение — это процесс охлаждения жидкости ниже ее температуры замерзания без перехода в твердое состояние. Чем сильнее переохлаждение, тем быстрее замерзает жидкость. Бутылка воды в морозильной камере может переохладиться до -5°C, а град образуется, когда капли воды в облаках охлаждаются до -30°C.
Применение этой концепции к ядру Земли выявило серьезную проблему для существующих моделей. Сейсмологические данные о текущем размере внутреннего ядра ограничивают максимально возможное переохлаждение величиной примерно в 420°C ниже точки плавления. Если бы оно было больше, внутреннее ядро было бы крупнее, чем сейчас. Однако для замерзания чистого железа потребовалось бы невозможное переохлаждение в ~1000°C, что привело бы к полной кристаллизации всего ядра.
Добавление в модели железа кремния и серы, на которые указывали метеоритные данные, лишь усугубило проблему, потребовав еще большего переохлаждения, чем для чистого железа. Это означало, что существующие теории не могли объяснить, как внутреннее ядро вообще могло начать формироваться.
Решение было найдено при исследовании влияния углерода. Моделирование показало, что если бы масса ядра на 2,4% состояла из углерода, для начала кристаллизации потребовалось бы переохлаждение как раз на ~420°C. Это стало первым правдоподобным сценарием, объясняющим замерзание ядра в рамках известных физических ограничений.
Еще более вероятный сценарий предполагает, что масса ядра состоит из углерода на 3,8%. В этом случае для начала замерзания потребовалось бы переохлаждение всего на 266°C. Эта модель на основе углерода не только объясняет существование твердого внутреннего ядра, но и значительно сужает круг возможных химических составов.
При этом ядро не может состоять только из железа и углерода. Сейсмические данные требуют присутствия как минимум еще одного элемента. Наиболее вероятный состав, согласно последним исследованиям, включает железо, углерод, «небольшое количество кислорода и, возможно, также кремний». Это открытие является крупным шагом к пониманию состава ядра, процесса его замерзания и его влияния на эволюцию Земли.
Изображение носит иллюстративный характер
Ядро состоит из твердого внутреннего и жидкого внешнего ядра. Твердая часть растет по мере того, как жидкая остывает и кристаллизуется на границе раздела. Температура ядра составляет примерно 5000 Кельвинов (4727°C), и температура на границе внутреннего и внешнего ядра соответствует температуре плавления его вещества.
Традиционно состав ядра пытались определить двумя методами. Первый — анализ метеоритов, которые считаются остатками не сформировавшихся планет или ядрами разрушенных землеподобных планет. Эти данные указывают, что ядро состоит в основном из железа и никеля с небольшой долей кремния или серы, но дают лишь общее представление.
Второй метод — сейсмология, изучение звуковых волн от землетрясений. Скорость этих волн меняется в зависимости от материалов, через которые они проходят. Сейсмологические данные показали, что ядро Земли примерно на 10% менее плотное, чем чистое железо, и что жидкое внешнее ядро плотнее твердого внутреннего. Этот метод более точен, но все еще допускает множество химических комбинаций, температура плавления которых может различаться на сотни градусов.
Новый подход, основанный на минеральной физике, моделирует, как атомы в жидких металлах образуют твердые тела, и фокусируется на концепции «переохлаждения». Переохлаждение — это процесс охлаждения жидкости ниже ее температуры замерзания без перехода в твердое состояние. Чем сильнее переохлаждение, тем быстрее замерзает жидкость. Бутылка воды в морозильной камере может переохладиться до -5°C, а град образуется, когда капли воды в облаках охлаждаются до -30°C.
Применение этой концепции к ядру Земли выявило серьезную проблему для существующих моделей. Сейсмологические данные о текущем размере внутреннего ядра ограничивают максимально возможное переохлаждение величиной примерно в 420°C ниже точки плавления. Если бы оно было больше, внутреннее ядро было бы крупнее, чем сейчас. Однако для замерзания чистого железа потребовалось бы невозможное переохлаждение в ~1000°C, что привело бы к полной кристаллизации всего ядра.
Добавление в модели железа кремния и серы, на которые указывали метеоритные данные, лишь усугубило проблему, потребовав еще большего переохлаждения, чем для чистого железа. Это означало, что существующие теории не могли объяснить, как внутреннее ядро вообще могло начать формироваться.
Решение было найдено при исследовании влияния углерода. Моделирование показало, что если бы масса ядра на 2,4% состояла из углерода, для начала кристаллизации потребовалось бы переохлаждение как раз на ~420°C. Это стало первым правдоподобным сценарием, объясняющим замерзание ядра в рамках известных физических ограничений.
Еще более вероятный сценарий предполагает, что масса ядра состоит из углерода на 3,8%. В этом случае для начала замерзания потребовалось бы переохлаждение всего на 266°C. Эта модель на основе углерода не только объясняет существование твердого внутреннего ядра, но и значительно сужает круг возможных химических составов.
При этом ядро не может состоять только из железа и углерода. Сейсмические данные требуют присутствия как минимум еще одного элемента. Наиболее вероятный состав, согласно последним исследованиям, включает железо, углерод, «небольшое количество кислорода и, возможно, также кремний». Это открытие является крупным шагом к пониманию состава ядра, процесса его замерзания и его влияния на эволюцию Земли.
