Новое исследование утверждает: внутреннее ядро Земли наполнено редкой формой материи, которую ученые называют «экстремальным водородом». Это причудливое вещество, известное как суперионный водород, ведет себя совершенно не так, как всё, что мы привыкли видеть на поверхности планеты.
На глубине более 5100 километров, где царят немыслимые давления, эта неземная версия водорода протекает сквозь твердое железо подобно жидкости и даже проводит электричество. Теперь исследователи заявляют, что течение экстремального водорода может играть критически важную роль в формировании магнитного поля, благодаря которому на Земле вообще возможна жизнь.
Хотя ученые давно подозревали, что в ядре может присутствовать водород, точно выяснить, как именно он там распределен, оказалось чрезвычайно сложной задачей. В своей новой работе, опубликованной в журнале PNAS, исследователи применили квантово-механическое моделирование, чтобы воспроизвести поведение водорода в экстремальных условиях ядра.
Оказалось, что суперионный водород распределен неравномерно. С наибольшей вероятностью он концентрируется прямо на границе между внутренним и внешним ядром. При температуре около 5226 °C водород составляет 16 процентов атомов на этой пограничной линии, а ближе к центру планеты его доля падает примерно до девяти процентов.
Сфера из железного сплава весом в 102 квинтиллиона тонн, образующая внутреннее ядро нашей планеты, — одна из самых экстремальных сред в Солнечной системе. Здесь, на глубине более 4800 километров, вещество сжато давлением в 3,3 миллиона атмосфер и раскалено до температур, близких к температуре поверхности Солнца. Эта уникальная часть планеты десятилетиями ставит ученых в тупик своими парадоксальными свойствами: достоверно известно, что ядро состоит из перегретого железа, которое колоссальное давление удерживает в твердом состоянии, однако по многим другим признакам оно ведет себя почти как расплав. Ударные волны от землетрясений, проходя сквозь него, замедляются, а податливость материала ближе к мягкому маслу, чем к стали. Это указывает на то, что внутри должны присутствовать более легкие элементы, позволяющие ядру сочетать свойства твердого тела и жидкости.
Водород — один из наиболее вероятных кандидатов на эту роль: он был широко распространен во Вселенной в момент формирования Земли и при подходящих условиях способен растворяться в железе. При экстремальных температуре и давлении атомы водорода начинают свободно протекать сквозь кристаллическую решетку из атомов железа, что и объясняет странные сейсмические характеристики внутреннего ядра.
Поскольку добраться до ядра, чтобы изучить этот феномен на месте, невозможно, а условия невоспроизводимы в лаборатории, исследователи обратились к компьютерному моделированию. Они задались целью понять, какие типы кристаллических структур окажутся наиболее стабильными в центре Земли и как это повлияет на распределение водорода. Моделирование показало, что твердое железо внутреннего ядра, вероятнее всего, принимает форму гексагональной плотноупакованной кристаллической решетки. Ранее ученые допускали, что под действием давления решетка могла перестроиться в так называемую объемно-центрированную кубическую фазу — кристаллы в форме кубов с атомами по углам и одним атомом в центре. Однако, как выяснилось, эти кубические структуры обретают стабильность лишь при температурах столь высоких, что кристаллы немедленно расплавились бы обратно в жидкость. «Наши расчеты показывают, что водород может стабилизировать суперионную объемно-центрированную кубическую фазу при достаточно высокой температуре и содержании водорода. Однако это поле стабильности перекрывается плавлением», — пишут авторы исследования.
Моделирование также раскрыло механизм движения водорода между твердым внутренним и жидким внешним ядром. Чем выше температура, тем сильнее водород стремится остаться во внешнем ядре, а не в твердой сердцевине. По мере роста и кристаллизации внутреннего ядра суперионный водород мигрирует к его внешней границе, а затем переходит в жидкость за ее пределами. Предыдущие исследования указывали, что это атомное движение способно создавать «плавучесть» в жидком внешнем ядре, тем самым приводя в движение потоки металла, ответственные за генерацию магнитного поля Земли.
Если бы не магнитное поле, поверхность планеты подверглась бы бомбардировке вредоносным космическим излучением, которое сделало бы развитие жизни невозможным. Это означает, что движение экстремального водорода может быть одним из ключевых элементов энергетического механизма, поддерживающего в рабочем состоянии защитный щит планеты.
Как жидкое железо создает магнитное поле
Считается, что магнитное поле нашей планеты генерируется глубоко в земном ядре. Никто никогда не добирался до центра Земли, но, изучая ударные волны от землетрясений, физики смогли вычислить его вероятную структуру. В самом сердце Земли находится твердое внутреннее ядро размером в две трети Луны, состоящее в основном из железа. При температуре 5700 °C это железо раскалено как поверхность Солнца, однако гравитационное давление не позволяет ему перейти в жидкое состояние. Вокруг твердого ядра простирается слой толщиной около 2000 километров — внешнее ядро из железа, никеля и небольших количеств других металлов. Из-за более низкого давления металл здесь находится в жидком состоянии. Перепады температур, давления и состава вызывают конвекционные потоки в расплавленном металле: холодное, плотное вещество опускается, а теплое поднимается. Сила Кориолиса, порожденная вращением Земли, закручивает эти потоки в водовороты. Движение жидкого железа генерирует электрические токи, которые, в свою очередь, создают магнитные поля. Заряженные металлы, проходя сквозь эти поля, порождают новые электрические токи, и цикл продолжается. Этот самоподдерживающийся механизм называется геодинамо. Спиральные потоки, вызванные силой Кориолиса, ориентируют разрозненные магнитные поля примерно в одном направлении, и их совокупный эффект складывается в единое колоссальное магнитное поле, окутывающее планету.
Источники: Исследование, опубликованное в журнале PNAS; данные компьютерного квантово-механического моделирования; обзор сейсмических наблюдений и теории геодинамо.
Ваш комментарий