Глубоко внутри нашей планеты, в условиях невообразимой температуры и давления, железо ведет себя совершенно иначе, чем на поверхности. Понимание этого поведения является ключом к разгадке многих тайн, связанных со структурой Земли, ее тепловой историей и динамическими процессами, происходящими в ее недрах. Ядро Земли, состоящее в основном из железа с небольшой примесью легких элементов, разделяется на жидкое внешнее ядро и твердое внутреннее ядро. Именно граница между этими двумя фазами является зоной повышенного внимания для геофизиков, ведь температура плавления железа на этой границе определяет процесс кристаллизации внутреннего ядра.
Недавние исследования, проведенные в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле, и в Политехническом институте Парижа, пролили свет на поведение железа в условиях, приближенных к границе внешнего и внутреннего ядра Земли. Ученые использовали инновационный метод, сочетающий лазерное воздействие и ультрабыструю рентгеновскую абсорбционную спектроскопию. Эта технология позволяет измерять температуру вещества в условиях ударного сжатия с точностью, недоступной для традиционных методов. Специальная установка ESRF, с мощным лазером и линией энергодисперсионного излучения ID24-ED, создала условия для проведения уникальных измерений.
В ходе эксперимента, мощный лазер, с энергией выше 40 Дж, был сфокусирован на многослойной мишени. Лазерное воздействие создавало плазму, которая, расширяясь, формировала ударную волну. Эта волна, распространяясь через образец железа, сжимала и нагревала его до экстремальных параметров. Синхронизированные с лазерным импульсом рентгеновские лучи, производили измерения, в течение всего ≈100 пикосекунд. Именно в момент достижения пиковых значений давления и температуры, ультрабыстрая рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) фиксировала состояние железа.
Результаты этих исследований оказались весьма неожиданными. При давлении 240 гигапаскалей (ГПа) и температуре 5345 кельвинов (К), непосредственно перед плавлением, железо находилось в гексагональной плотноупакованной (hcp) фазе. Этот результат противоречил некоторым теоретическим моделям, которые предсказывали, что в этих условиях железо должно было бы иметь объемноцентрированную кубическую (bcc) структуру. Важно отметить, что давление на границе внутреннего ядра составляет 330 ГПа. Но для проведения точных измерений и с учетом технических возможностей установки, эксперимент был проведен при 240 ГПа. Тем не менее, полученные данные являются важными для понимания того, как железо ведет себя в условиях ядра Земли. Эти новые данные, опубликованные в журнале Physical Review Letters, подтверждают, что bcc фаза не отвечает за эффект «срезающей размягчаемости», наблюдаемый в условиях ядра Земли, как предполагалось ранее.
Особенно важным является тот факт, что температура, полученная в ходе экспериментов (5345 К при 240 ГПа), устанавливает верхний предел температуры плавления железа на границе внутреннего ядра. Это, в свою очередь, влияет на понимание процесса затвердевания внутреннего ядра из жидкого внешнего ядра. Иными словами, процесс кристаллизации ядра, который, в конечном итоге, влияет на магнитное поле нашей планеты.
Исследование, автором которого является София Балугани и другие ученые из ESRF, Политехнического института Парижа и других мировых научных центров, не только меняет наши представления о железе в недрах Земли, но и открывает новые горизонты для исследований в других областях. В будущем, этот метод может быть применен для изучения поведения других металлов и их сплавов при экстремальных условиях. Это особенно важно для понимания состава и структуры экзопланет, так называемых «суперземель», которые, как считается, имеют каменистую структуру. Изучение поведения железа в экстремальных условиях также имеет применение в исследованиях в области термоядерного синтеза, где оно может применяться в качестве материала для изготовления контейнеров.
Таким образом, понимание поведения железа при экстремальных температурах и давлениях в недрах Земли играет фундаментальную роль в изучении нашей планеты и за ее пределами. Использование инновационных методов, таких как ультрабыстрая рентгеновская абсорбционная спектроскопия, позволяет не только проверять и корректировать существующие теоретические модели, но и открывает путь к новым открытиям в геофизике, астрофизике и других областях науки. Использование данного метода позволяет проводить исследования на скоростях около 100 пикосекунд (одна триллионная доля секунды). Это дает возможность наблюдать за изменениями фаз вещества в реальном времени, что ранее было невозможно.
Изображение носит иллюстративный характер
Недавние исследования, проведенные в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле, и в Политехническом институте Парижа, пролили свет на поведение железа в условиях, приближенных к границе внешнего и внутреннего ядра Земли. Ученые использовали инновационный метод, сочетающий лазерное воздействие и ультрабыструю рентгеновскую абсорбционную спектроскопию. Эта технология позволяет измерять температуру вещества в условиях ударного сжатия с точностью, недоступной для традиционных методов. Специальная установка ESRF, с мощным лазером и линией энергодисперсионного излучения ID24-ED, создала условия для проведения уникальных измерений.
В ходе эксперимента, мощный лазер, с энергией выше 40 Дж, был сфокусирован на многослойной мишени. Лазерное воздействие создавало плазму, которая, расширяясь, формировала ударную волну. Эта волна, распространяясь через образец железа, сжимала и нагревала его до экстремальных параметров. Синхронизированные с лазерным импульсом рентгеновские лучи, производили измерения, в течение всего ≈100 пикосекунд. Именно в момент достижения пиковых значений давления и температуры, ультрабыстрая рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) фиксировала состояние железа.
Результаты этих исследований оказались весьма неожиданными. При давлении 240 гигапаскалей (ГПа) и температуре 5345 кельвинов (К), непосредственно перед плавлением, железо находилось в гексагональной плотноупакованной (hcp) фазе. Этот результат противоречил некоторым теоретическим моделям, которые предсказывали, что в этих условиях железо должно было бы иметь объемноцентрированную кубическую (bcc) структуру. Важно отметить, что давление на границе внутреннего ядра составляет 330 ГПа. Но для проведения точных измерений и с учетом технических возможностей установки, эксперимент был проведен при 240 ГПа. Тем не менее, полученные данные являются важными для понимания того, как железо ведет себя в условиях ядра Земли. Эти новые данные, опубликованные в журнале Physical Review Letters, подтверждают, что bcc фаза не отвечает за эффект «срезающей размягчаемости», наблюдаемый в условиях ядра Земли, как предполагалось ранее.
Особенно важным является тот факт, что температура, полученная в ходе экспериментов (5345 К при 240 ГПа), устанавливает верхний предел температуры плавления железа на границе внутреннего ядра. Это, в свою очередь, влияет на понимание процесса затвердевания внутреннего ядра из жидкого внешнего ядра. Иными словами, процесс кристаллизации ядра, который, в конечном итоге, влияет на магнитное поле нашей планеты.
Исследование, автором которого является София Балугани и другие ученые из ESRF, Политехнического института Парижа и других мировых научных центров, не только меняет наши представления о железе в недрах Земли, но и открывает новые горизонты для исследований в других областях. В будущем, этот метод может быть применен для изучения поведения других металлов и их сплавов при экстремальных условиях. Это особенно важно для понимания состава и структуры экзопланет, так называемых «суперземель», которые, как считается, имеют каменистую структуру. Изучение поведения железа в экстремальных условиях также имеет применение в исследованиях в области термоядерного синтеза, где оно может применяться в качестве материала для изготовления контейнеров.
Таким образом, понимание поведения железа при экстремальных температурах и давлениях в недрах Земли играет фундаментальную роль в изучении нашей планеты и за ее пределами. Использование инновационных методов, таких как ультрабыстрая рентгеновская абсорбционная спектроскопия, позволяет не только проверять и корректировать существующие теоретические модели, но и открывает путь к новым открытиям в геофизике, астрофизике и других областях науки. Использование данного метода позволяет проводить исследования на скоростях около 100 пикосекунд (одна триллионная доля секунды). Это дает возможность наблюдать за изменениями фаз вещества в реальном времени, что ранее было невозможно.
