Внутреннее ядро Земли — суперионный проводник

Результаты квантовомеханического компьютерного моделирования вещества в условиях вблизи центра Земли показали, что внутреннее ядро Земли не является твёрдым в привычном значении, а находится в особом «суперионном» состоянии, в виде своеобразной смеси твёрдой и жидкой фазы. В твёрдой фазе находится железная кристаллическая решётка, тогда как лёгкие элементы — вероятно, водород, кислород и углерод — ведут себя как жидкость с высокой подвижностью, обеспечивая конвекцию материала в ядре.

Самая глубокая геооболочка Земли — её ядро состоит из жидкого внешнего слоя (внешнее ядро начинается на глубине около 3 тысяч километров) и твёрдого внутреннего радиусом около 1200 км. Условия существования вещества в нём отличаются сверхвысокими давлениями и температурами. Внутреннее твёрдое ядро сформировалось и постепенно растёт в размерах благодаря отвержению материала жидкого ядра, то есть сплава железа и никеля на границе раздела двух оболочек. Но внутреннее ядро, которое согласно упрощённым устоявшимся представлениям должно быть в твёрдом состоянии, обладает меньшей плотностью по сравнению с плотностью сплавов железа при таких условиях. Поэтому геофизики предполагают, что в его составе также присутствует набор лёгких элементов. Скорость распространения сейсмических волн в ядре также меньше, чем можно ожидать в «твёрдой» модели. Поэтому модель нуждается в уточнении. Особенно много вопросов вызывает фазовое состояние подсистемы этих лёгких элементов. Возможно, внутреннее ядро не вполне твёрдое, а за счёт этих элементов обладает некоторой пластичностью, или даже находится в каком-либо необычном для привычных условий агрегатном состоянии.

Напомним, что практически всю информацию о внутреннем строении Земли геофизики получают, изучая распространение в толще Земли сейсмических волн. Источником сигнала выступают землетрясения, которые с разной интенсивностью и в меру непредсказуемо случаются в разных точках земного шара. Приёмники сигнала — сейсмолаборатории, также расположенные по возможности везде, как минимум на суше. Сейсмическая волна от землетрясения распространяется в разные стороны вглубь Земли, и через некоторое время после толчка её фиксируют на станциях по всему миру. По времени движения сигнала, то есть задержке между моментом толчка и приёмом волны на станции, можно определить скорость распространения волны по конкретной траектории, соответственно сделать выводы о составе горных пород вдоль именно этого луча. Данные от тысяч землетрясений по разным траекториям «точка эпицентра — станция» дают возможность составить полную картину о внутреннем строении Земли. Подробнее про этот раздел геофизики под названием сейсмотомография можно прочитать во вставке к ранее опубликованной статье об исследовании внутреннего строения Марса.

Новые результаты математического моделирования вещества в ядре позволили предположить, что фаза, в которой находится внутреннее ядро Земли, не является привычным нам твёрдым агрегатным состоянием вещества. Её можно охарактеризовать как смесь твёрдой железной сверхрешётки и «жидкости» из лёгких элементов. Такое состояние называют суперионной фазой. Жидкость из лёгких элементов в условиях, при которых находится внутреннее ядро, обладает сверхвысокой подвижностью и диффузивностью по отношению к железной подрешётке. Таким образом, суперионная фаза — состояние, промежуточное между твёрдым телом и жидкостью. Предполагают, что это состояние вещества — не редкость внутри других планет Солнечной системы. Вещества с этим свойством называются суперионики, и некоторые сплавы с такими свойствами (суперионные проводники) исследуются как перспективные материалы. Компьютерное моделирование поведения вещества ядра исходя из квантовомеханических принципов показало, что определённые сплавы Fe-H, Fe-C и Fe-O при условиях, характерных для внутреннего ядра Земли действительно могут переходить в суперионное состояние. Статья коллектива геофизиков из нескольких научно-исследовательских институтов Китая по результатам математического моделирования вещества внутреннего ядра Земли в феврале 2022 года вышла в Nature.

В суперионных сплавах железа лёгкие элементы находятся в неупорядоченном состоянии и могут диффундировать по кристаллической решётке, как жидкость. В то же время атомы железа сохраняют упорядоченность решётки, формируя твёрдый остов вещества. Как и в любом твёрдом теле, они могут колебаться, проводя звуковые волны. Коэффициенты диффузии элементов C, H и O в таких супериониках аналогичны значениям в расплаве железа. Получается, что переход железа в твёрдое состояние на границе внешнего и внутреннего ядра не уменьшает мобильность лёгких элементов, и эта их подсистема по-прежнему находится в состоянии конвекции, как и в жидком ядре.

Очень необычным свойством и загадкой внутреннего ядра является аномально маленькая скорость распространения поперечных звуковых волн — 3,6 км/сек. Обычная скорость звуковых волн в твёрдом теле составляет около 8 км/сек. Поперечные, или S-волны, немного медленнее, но они всё равно распространяются с характерными скоростями 5—6 км/сек. Исследователи рассчитали скорость распространения поперечной звуковой волны в супериониках и обнаружили, что в этой фазе действительно наблюдается её существенное снижение — так же, как и вытекает из сейсмологических наблюдений. Лёгкие элементы в ядре, находящиеся в такой специальной «жидкой подфазе» как бы смягчают внутреннее ядро и делают его более пластичным.

Лёгкие элементы с хорошими диффузионными свойствами могут существенно изменять скорости распространения сейсмических волн. Предположение об их наличии в ядре даёт нам инструмент для понимания и других загадок ядра Земли. Так, например, анизотропные свойства, ослабление сейсмических волн, структурные изменения во внутреннем ядре, которые наблюдаются на временных масштабах даже десятилетий — эти наблюдаемые свойства можно увязать вместе в рамках суперионной модели. По этим данным можно решить обратную задачу, то есть определить состав, распределение и конвекционные свойства элементов в этой «квази-жидкой фазе» во внутреннем ядре Земли.

Источник: XX2 век