Земля може містити "масляне" ядро: науковці визначили це як новий стан матерії.

У процесі лабораторних досліджень науковці застосували метод ударного стиснення до зразків заліза та вуглецю.

У глибинах нашої планети розташоване ядро, поведінка якого залишається загадкою для науковців протягом багатьох років. Останні дослідження вказують на те, що тверде ядро Землі є менш жорстким і більш активним, ніж вважалося раніше, повідомляє видання Earth.

В ході дослідження, результати якого опубліковані в National Science Review, вчені з Університету Сичуань провели лабораторні експерименти, які показали, що під екстремальним тиском атоми вуглецю можуть вільно мігрувати в решітці заліза, знижуючи жорсткість і сповільнюючи скручувальні сейсмічні хвилі приблизно на 23%.

Секрет "плавного" внутрішнього центру

Сейсмологи вже давно зафіксували, що внутрішнє ядро Землі сповільнює деякі сейсмічні хвилі. Нещодавно китайські дослідники намагалися розкрити причини цього явища.

У публікації було вказано, що за умов високої температури та тиску деякі кристали можуть перетворюватися на суперионні. У цьому стані легкі атоми здатні вільно переміщатися всередині твердого матеріалу, тоді як важчі атоми каркаса зберігають свої впорядковані позиції, а рухливі атоми переміщуються між просторами, не залишаючи своїх місць.

Матеріалознавці вивчали ці провідники в твердих тілах батарей, де рухомі іони переносять заряд через кристалічний каркас. Виявлення подібного стану в сплаві з високим вмістом заліза має важливе значення, оскільки воно змінює те, як ядро може бути одночасно твердим і м'яким.

За словами вчених, землетруси посилають в ядро зсувні хвилі, скручуючі коливання, які перевіряють жорсткість, а внутрішнє ядро Землі різко уповільнює їх. Ці швидкості становлять близько 3,5 кілометра в секунду, що набагато нижче, ніж повинно бути у більшості твердих залізних матеріалів.

Експерименти в лабораторії

У публікації було зазначено, що вчені під час лабораторних досліджень застосовували ударне стиснення на зразках заліза та вуглецю. Двоступеневий газовий гарматний механізм розганяв снаряди до швидкості 6,9 кілометра на секунду, досягаючи тиску в 140 гігапаскалів. Температура під час експерименту піднялася приблизно до 2315 градусів за Цельсієм, а датчики вели спостереження за швидкістю звуку в ударному сплаві.

Дослідники також виявили, що під час пікових навантажень атоми вуглецю активно переміщалися в межах твердого залізного каркасу. В цей період матеріал зазнавав значних втрат своєї здатності витримувати зсуви.

"Уперше ми експериментально виявили, що залізо-вуглецевий сплав у середовищі внутрішнього ядра проявляє значно нижчу швидкість зсуву," - поділився автор дослідження професор Юцзюнь Чжан.

Анізотропія ядерного складу та її роль у геодинаміці.

У публікації зазначається, що внутрішнє ядро Землі переважно складається із заліза, проте його щільність на 3-5% нижча, що свідчить про присутність легших елементів. Вчені вирішили дослідити залізо, що містить 1,5% вуглецю за масою, яке було введене у вигляді інтерстиціального твердого розчину, де дрібні атоми заповнюють вільні простори.

Деякі вимірювання внутрішнього ядра показують сейсмічну анізотропію, зміну швидкості хвиль залежно від напрямку руху, що вказує на неоднорідність матеріалу. Моделювання показало, що вуглець віддає перевагу певним шляхам між шарами заліза, що може сприяти створенню спрямованих відмінностей.

Навіть незначне коригування в процесі формування ядра здатне викликати різницю в швидкості розповсюдження хвиль: в одному напрямку вони можуть рухатися швидше, а в іншому — повільніше, зазначили автори статті.

У публікації вказано, що магнітне поле нашої планети виникає внаслідок геодинамо — процесу, що відбувається в рідкому зовнішньому ядрі, де генерується це поле. Охолодження ядра приводить до вивільнення тепла та виштовхування легких елементів з твердого заліза, що стимулює конвективні потоки.

"Крім теплової та композиційної конвекції, рідинний рух легких елементів може відігравати важливу роль у функціонуванні магнітного двигуна Землі", - зазначив доктор Юцянь Хуан, геофізик з Сичуанського університету.

Як зазначають дослідники, комп'ютерні симуляції виявили, що поєднання твердої та рухомої фази може відповідати характеристикам внутрішнього ядра. Для того щоб перетворити це припущення на підтвердження, були використані методи молекулярної динаміки, які моделюють рух атомів у часі, а також проведені вимірювання під високим тиском.

Раніше доба на Землі тривала всього 19 годин

Раніше вчені заявили, що в далекому минулому Земля пережила тривалий період, коли її обертання майже не змінювалося, а тривалість доби становила близько 19 годин. Це відбувалося в середині протерозойської ери - приблизно від 2 до 1 мільярда років тому.

Зазвичай обертання Землі сповільнюється через припливну взаємодію з Місяцем, який "відбирає" частину обертальної енергії планети. Однак автори дослідження виявили, що в докембрії цей ефект майже повністю компенсувався атмосферними припливами, викликаними сонячним нагріванням.

При певних обставинах ці атмосферні хвилі резонували, генеруючи силу, що збільшувала швидкість обертання Землі, компенсуючи гальмівний ефект Місяця. Як наслідок, тривалість доби стабілізувалася приблизно на позначці 19 годин.

Можливо, вас також привернуть увагу ці новини: