Вуглецю в ядрі Землі вдвічі менше, ніж вважалося раніше - такі дані отримали геофізики за допомогою моделі утворення Землі з вуглистих хондритів. Для цього вони проаналізували розподіл вуглецю між металевою і силікатною фазами, які складають ядро і мантію, відповідно, за умов формування земного ядра. Стаття опублікована в журналі.
Вуглець відіграє значну роль у геодинамічних процесах, у тому числі впливає на динаміку мантії і плавлення магми. Для того, щоб зрозуміти, з яких блоків утворилася наша планета і як працювали процеси доставки і втрати вуглецю після її утворення, вчені моделюють вміст вуглецю в Землі і процеси його перерозподілу між основними компонентами магми: металевої та силікатної. Ядро складається з металевої фази, в якій в основному представлені залізо, нікель і їх оксиди, а в мантії розташовані силікатні фази, які являють собою силікати цих металів з домішками - часто для оцінки складу мантії використовують мінерал олівін.
Земне ядро на 10 відсотків менш щільне, ніж чисто металеве за тих самих умов. До цього моменту незрозуміло, який з легких елементів (кремній, кисень, сірка, водень або вуглець) вносить найбільший внесок у зниження щільності. Їх наявність важлива для зниження температури плавлення заліза та утворення конвекційних потоків у зовнішній частині ядра, які впливають на генерацію магнітного поля Землі.
Вчені припускають, що саме вуглець робить великий внесок у властивості ядра через свою сидерофільність - спорідненість до металевих фаз. Вуглець в достатку знаходиться в вуглистих хондритах, що дозволяє уявити їх, як будівельні блоки Землі, що зароджується. Наявність вуглецю в ядрі як основного легкого елемента відповідає експериментальним сейсмічним властивостям внутрішнього ядра.
Ребекка Фішер (Rebecca Fischer) з Гарвардського університету зі своїми колегами розглянула розподіл вуглецю між металевою фазою магми і силікатною в умовах утворення Земного ядра. Вони змішали порошки олівіну, заліза, нікелю і графіту і нагріли лазером в алмазній наковальні, щоб досягти тиску 37-59 гігапаскаль (ауд 365-582 тисяч атмосфер) і температури 4200-5200 кельвін. За подібних умов вуглець виявляє менш сидерофільні властивості, тобто розподіл вуглецю між фазами металів і силікатів став відрізнятися не в 10000 разів, а в 100. Вчені доповнили свої дані попередніми роботами, в яких були більш низькі температури і тиску, і вирахували параметри емпіричної залежності коефіцієнта розподілу від температури, тиску, ступеня полімеризації силікату і вмісту сірки і кисню.
Геофізики змоделювали утворення Землі акрецією 50 малих тіл зі складом вогнетривких хондритів CI. Ключовими параметрами моделі були розподілу заліза, кремнію, кисню, нікелю, сірки та вуглецю. У кожен момент часу рівновага вуглецю між металевою фазою і силікатною досягалася при 65 відсотках тиску на кордоні ядра і мантії, температурі плавлення породи перидотиту і при якому летючість кисню змінилася лінійно від 1,5 до 3. Така поведінка летючості кисню пояснюється двома факторами: акрецією більш окисленого матеріалу з зовнішнього диска в кінці планетної аккреції і відновлення оксиду кремнію залізом, яке протікає при підвищеній температурі і тиску. Ці умови моделі дозволили вченим оцінити склад домішок ядра: 7.8 відсотків кремнію, 5.2 відсотків нікелю, 1.2 відсотка кисню, 0.9 відсотка сірки і 0.09 - 0.2 відсотка вуглецю. Це дозволило геофізикам спростувати великий внесок вуглецю в зниження щільності ядра. Сейсмічні властивості ядра вдалося пояснити великим вмістом кремнію і кисню, які обидва при підвищенні температури і тиску стають більш сидерофільними.
І хоча вміст вуглецю в Земному ядрі виявився меншим за попередні оцінки, ця кількість все одно становить від 78 до 89 відсотків усього вуглецю на Землі. Але автори визнають, що оцінка груба і вміст вуглецю в ядрі може бути ще менше.
Співвідношення між летючими елементами - поширена техніка встановлення вихідних джерел утворення Землі, але збагаченість ядра летючими компонентами слабо вивчена при великих тисках і температурах для всіх елементів, крім сірки. Автори зіставили концентрації вуглецю та сірки і дійшли висновку, що процес утворення ядра відділяє сірку від вуглецю. Вміст сірки і вуглецю найбільше відповідає хондритам CO, CV і EL. Таким чином, вчені підтвердили моделі, в яких вуглисті хондритоподібні попередники роблять істотний внесок у летючі компоненти Землі.
Процеси в ядрі Землі активно вивчаються багатьма науковими групами. Півроку тому вчені з'ясували, що оксид заліза (II) в силікатних мінералах мантії диспропорціонує на вищий оксид і металеве залізо, що дозволяє кисню і воді вийти з ядра назовні. А два роки тому хіміки показали, що за умов земного ядра може утворюватися екзотичний стабільний з'єднання гелію та оксиду заліза (IV). Про інші цікаві можливості високих тисків розповідається в нашому матеріалі «Подорож до центру Землі».