|
Скрытый химический состав ядра Земли
|
|
|
|
Исследование, проведенное учеными из Оксфордского университета, Университета Лидса и Университетского колледжа Лондона, выявило новое ограничение в химическом составе ядра Земли, показав, как оно могло кристаллизоваться миллионы лет назад. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
|
|
|
|
Исследователи показали, что ядро должно было состоять на 3,8% из углерода, чтобы оно начало кристаллизоваться. Этот результат указывает на то, что углерода в ядре Земли может быть больше, чем считалось ранее, и что этот элемент мог сыграть ключевую роль в том, как оно замерзло, что позволяет получить редкое представление о процессах, происходящих в сердце нашей планеты.
|
|
|
|
Внутреннее ядро Земли, богатая железом твердая масса в центре нашей планеты, медленно растет по мере того, как окружающее ее расплавленное внешнее ядро охлаждается и замерзает. Но этот процесс на протяжении десятилетий был предметом споров среди ученых.
|
|
|
|
Формирование внутренней сердцевины - это не просто вопрос определения того, когда сердцевина остынет до точки замерзания, но и процесс кристаллизации, который зависит от ее точного химического состава. Подобно каплям воды в облаках, которые могут остыть до -30°C, прежде чем образовать град, расплавленное железо должно быть переохлаждено (охлаждено ниже точки плавления), прежде чем оно сможет замерзнуть.
|
|
|
|
|
|
|
Предыдущие расчеты показали, что для начала замерзания активной зоны потребовалось бы переохлаждение при температуре 800-1000°C, если бы она была сделана из чистого железа.
|
|
|
|
Однако, если ядро будет переохлаждено до такой степени, исследователи показали, что внутреннее ядро сильно увеличится, и магнитное поле Земли ослабнет. Но ни один из этих результатов не имел места за всю историю нашей планеты. Вместо этого ученые полагают, что в прошлом ядро могло остыть не более чем на 250°C ниже точки плавления.
|
|
|
|
Это новое исследование было направлено на то, чтобы понять, как существует внутреннее ядро, наблюдаемое сегодня, при таком ограниченном переохлаждении в прошлом. Не имея прямого доступа к глубоким недрам Земли, исследовательской группе пришлось полагаться на компьютерное моделирование процесса замораживания.
|
|
|
|
Они изучили присутствие других элементов, в частности кремния, серы, кислорода и углерода, и то, как они могут повлиять на процесс замораживания.
|
|
|
|
"Каждый из этих элементов существует в вышележащей мантии и, следовательно, мог раствориться в ядре в течение истории Земли", - пояснил соавтор исследования доцент Эндрю Уокер (департамент наук о Земле Оксфордского университета).
|
|
|
|
"В результате, это может объяснить, почему у нас твердое внутреннее ядро с относительно небольшим переохлаждением на такой глубине. Наличие одного или нескольких из этих элементов также может объяснить, почему ядро менее плотное, чем чистое железо, что является ключевым наблюдением сейсмологов".
|
|
|
|
Используя компьютерное моделирование в атомном масштабе примерно 100 000 атомов при переохлажденных температурах и давлениях, эквивалентных тем, которые наблюдаются во внутреннем ядре, исследовательская группа проследила, как часто из жидкости образуются небольшие кристаллоподобные скопления атомов. Эти процессы "зарождения" являются первыми шагами к замораживанию.
|
|
|
|
То, что они обнаружили, было неожиданным: кремний и сера, элементы, которые, как часто предполагается, присутствуют в ядре, на самом деле замедляют процесс замораживания. Другими словами, для начала формирования внутреннего ядра потребовалось бы большее переохлаждение, если бы эти элементы были в изобилии в этой части Земли.
|
|
|
|
С другой стороны, они обнаружили, что углерод помогает ускорить замораживание при моделировании.
|
|
|
|
В ходе исследования ученые проверили, сколько переохлаждения потребуется для замораживания внутреннего ядра, если 2,4% массы ядра состоит из углерода. Результат: около 420°C, все еще слишком высокая температура, но это самый близкий результат к жизнеспособности.
|
|
|
|
Но когда они экстраполировали свои результаты на случай, когда углерод составляет 3,8% массы ядра, требуемое переохлаждение снизилось до 266°C. Это единственный известный состав, который мог бы объяснить как зарождение, так и наблюдаемый размер внутреннего ядра.
|
|
|
|
Этот результат указывает на то, что углерода в ядре Земли может быть больше, чем считалось ранее, и что без этого элемента формирование твердого внутреннего ядра, возможно, никогда бы не произошло.
|
|
|
|
Эксперименты также показывают, что замораживание внутренней сердцевины было возможно при правильном химическом составе, и, в отличие от воды, образующей град, это происходило без "зародышей" - крошечных частиц, которые помогают инициировать замораживание. Это жизненно важно, потому что при тестировании в предыдущих моделированиях все кандидаты на зарождение зародышей в сердцевине расплавились или растворились.
|
|
|
|
Ведущий автор доктор Альфред Уилсон (Школа Земли и окружающей среды Лидского университета) сказал: "Интересно наблюдать, как процессы атомного масштаба управляют фундаментальной структурой и динамикой нашей планеты. Изучая, как сформировалось внутреннее ядро Земли, мы не просто узнаем о прошлом нашей планеты. Мы получаем редкую возможность заглянуть в химию региона, до которого мы никогда не сможем добраться напрямую, и узнаем о том, как она может измениться в будущем".
|
|
|
|
Ученые десятилетиями спорили о том, когда внутреннее ядро начало затвердевать, причем одни утверждали, что оно было древним (начало замерзать более двух миллиардов лет назад), а другие предполагали гораздо более молодой возраст (менее полумиллиарда лет). Обладая этой новой информацией о содержании углерода в ядре, мы на шаг приблизились к пониманию его химических и физических свойств и, следовательно, того, как оно эволюционировало.
|
|
|
|
Источник
|
