Китайські геохіміки промоделювали стан речовини у внутрішньому ядрі Землі на основі припущення про те, що головний його компонент (залізо) утворює суперійні сплави з легкими елементами - воднем, вуглецем і киснем. Запропонована модель дозволила пояснити невідповідність між розрахунковою і виміряною швидкістю сейсмічних хвиль у внутрішньому ядрі, а з урахуванням впливу геомагнітного поля - і його сейсмічну анізотропію. Дослідження опубліковано в журналі.
Головне джерело даних про будову глибоких надр Землі - це об'ємні сейсмічні хвилі двох типів: поздовжні, або хвилі стиснення (позначаються символом), і поперечні, або зрушення - хвилі. Вони народжуються разом, але при поширенні більш повільні - хвилі відстають, а крім того, вони можуть поширюватися тільки в твердому тілі. Швидкість і тих, і інших хвиль залежить від щільності і пружності середовища, що дає можливість отримати інформацію про властивості речовини в надрах. Саме аналіз сейсмічних даних дозволив на початку XX століття виявити ядро як структурний елемент планети, а в 1930-х роках показав, що всередині нього існує поверхня розділу. Під час наступних досліджень вчені встановили, що ця поверхня обмежує внутрішню частину ядра радіусом 1220-1230 кілометрів. Дані про зміни швидкості сейсмічних хвиль призвели до висновку про те, що речовина в ній знаходиться в твердому, кристалічному стані.
Ядро недоступне для прямого хімічного аналізу. Про його склад судять виходячи з відносної поширеності елементів, теоретичних уявлень про формування планет і модельних експериментів, а також обмежень, що накладаються на щільність за результатами сейсмологічних і гравіметричних спостережень. Головний компонент ядра - залізо, в менших кількостях присутні нікель та інші сидерофільні елементи - кобальт, молібден, осмій, іридій та інші. Але цілком металеве ядро виявилося б занадто щільним. Тому не тільки рідке зовнішнє, але і внутрішнє тверде ядро повинні містити і легкі домішки, такі як сірка, кремній, кисень, вуглець, водень.
Температура внутрішнього ядра оцінюється приблизно в 5400-5700 кельвін. Тиск, згідно Попередньої еталонної моделі Землі (PREM), в якій розподіл фізичних характеристик планети представлено як функція радіусу, становить приблизно 330-360 гігапаскалів. У таких умовах залізо кристалізується з утворенням так званої гексагональної щільної упаковки атомів, або hcp-модифікації.
Серед інших характеристик PREM включає і розрахункові швидкості сейсмічних хвиль на різних глибинах. Однак за результатами уточнених досліджень 2018 року з'ясувалося, що для твердого внутрішнього ядра вони завищені на 2,5 відсотка. Так, швидкість - хвиль у центрі ядра дорівнювала 3,58, а не 3,67 кілометра на секунду, як передбачає PREM. Це означає, що внутрішнє ядро не можна вважати повністю твердим.
Пояснення вимагає і ще одна особливість внутрішнього ядра, що отримала назву сейсмічної анізотропії. Відомо, що хвилі в ньому поширюються приблизно на три відсотки швидше в полярному напрямку, ніж в екваторіальному. Деякі вчені вважають, що це явище пов'язане з присутністю різних модифікацій заліза або його твердих сплавів, в яких кристалічні решітки орієнтовані взаємно перпендикулярно. Інші вказують, що в експериментах стійкість проявила лише hcp-модифікація.
Група дослідників з КНР на чолі з Юй Хе (Yu He) з Інституту геохімії Китайської академії наук зосередила свою увагу на взаємодії заліза з легкими компонентами внутрішнього ядра - воднем, вуглецем, киснем, кремнієм і сірою. За допомогою чисельного моделювання вони розрахували термодинамічні характеристики двох варіантів кристалічних hcp-решіток, що містили 64 атома заліза. У першому випадку атом легкого елемента заміщував у решітці атом заліза, у другому - вводився між вузлами решітки. Розрахунки велися для тисків від 340 до 360 гігапаскалів і температур від 2000 до 7000 кельвін.
Виявилося, що сірка і кремній воліють заміщати залізо, утворюючи стабільні тверді сульфіди і силіциди. Водень, вуглець і кисень при тисках нижче 350 гігапаскалів (тобто далі від центру ядра) охочіше проникають в міждузлі решітки hcp-заліза. Такі сплави можуть залишатися повністю твердими лише до температури 2500-2800 кельвін, а це істотно нижче, ніж у внутрішньому ядрі. Потім рухливість іонів легких елементів зростає, і приблизно при 3000 кельвін вони починають мігрувати всередині кристалічної решітки. Такий стан речовини, проміжний між твердим кристалом і рідиною, носить назву суперійного. Воно руйнується з повним плавленням решітки в діапазоні температур 5413-5770 кельвін при тиску близько 330 гігапаскалей, тобто в умовах, що відповідають межі внутрішнього ядра. Ця температура на 500-800 градусів нижче, ніж потрібно для плавлення чистого hcp-заліза.
Юй Хе і його колеги провели розрахунки пружних властивостей суперійних сплавів і визначили швидкості сейсмічних хвиль в них. Якщо в твердих сплавах зі зростанням температури до 3000 кельвін значення швидкостей хвиль обох типів зменшуються майже лінійно, то з переходом в суперіонний стан вони демонструють прискорений спад, особливо для - хвиль. Моделювання з урахуванням присутності нікелю показало, що невелика кількість легких домішок, особливо водню, дає величину швидкості, близьку до тієї, що була вимірена в 2018 році.
Мабуть, речовина в суперіонному стані зустрічається і на інших планетах Сонячної системи. Так, суперійна крига, ймовірно, присутня в надрах Урану і Нептуна серед інших високотемпеолог них модифікацій льоду і вносить внесок у формування їх магнітних полів. На Землі, як вважають Юй Хе з колегами, суперійні сплави заліза у внутрішньому ядрі Землі теж беруть участь у підтримці механізму геодинамо.
Міграція іонів легких елементів повинна робити внесок у теплопередачу від внутрішнього ядра і тим самим сприяти конвекції - необхідній умові виникнення динамо-ефекту в рідкому зовнішньому ядрі. Магнітне поле, в свою чергу, впливає на суперіонні провідні сплави, змушуючи легкі іони переміщатися. Не виключено, що таким чином домішки у складі внутрішнього ядра перерозподіляються достатньою мірою, щоб викликати сейсмічну анізотропію. На думку авторів статті, ймовірний зв'язок між геодинамо і сейсмічними особливостями внутрішнього ядра, який повинні прояснити подальші дослідження, може стати ключем до розуміння його структури та еволюції.
Раніше вже розповідав про суперійний стан речовини. Так, за допомогою моделювання фізики показали, що суміш гелію з водою при високих тисках породжує цілих дві суперійні фази, і виявили, що в центрі Землі гелій може утворювати стабільне з'єднання з оксидом заліза. А ще ми повідомляли про те, що на Венері теж може існувати суперійний лід.