Атомы железа обнаружены «танцующими» внутри твердого внутреннего ядра Земли


Фото из открытых источников
Твердое железное ядро Земли — это не то, чем кажется. Фактически, только в этом году ученые обнаружили, что самый внутренний шар нашей планеты не гладкий, а текстурированный; и перестает вращаться каждые семь десятилетий, прежде чем изменить направление.
 
Теперь, в другом удивительном исследовании, группа исследователей считает, что они выяснили, почему твердое железное ядро Земли немного мягче, чем ожидалось: ее атомы могут двигаться. Исследование опубликовано в PNAS.
 
Во внутреннем ядре Земли, примерно в 5100 километрах под нашими ногами, атомы железа плотно упакованы в гексагональную структуру, сжимаемую под огромным давлением и высокими температурами.
 
Недавние сейсмические наблюдения показали, что внутренняя сфера Земли демонстрирует некоторые интригующие свойства, больше похожие на мягкие металлы, такие как свинец, и ближе к расплавленному железу, чем к твердой глыбе, которую мы, возможно, представляли себе.
 
По словам Юцзюня Чжана, физика из Сычуаньского университета в Китае, и его коллег из США и Китая, которые провели серию компьютерных симуляций и лабораторных экспериментов, это происходит потому, что атомы железа во внутреннем ядре меняют положения внутри предложенной ими гексагональной структуры решетки.
 
Подобно тому, как люди пересаживаются за обеденным столом, атомы железа мигрируют в соседние позиции, не нарушая основную металлическую структуру железа, что делает ядро более податливым, предполагают Чжан и его коллеги.
 
«Твердое железо становится удивительно мягким глубоко внутри Земли, потому что его атомы могут двигаться гораздо дальше, чем мы когда-либо могли себе представить», — объясняет Чжан. «Это увеличенное движение делает внутреннее ядро менее жестким и более слабым по отношению к силам сдвига».
 
До этого ученые моделировали внутреннее ядро Земли, используя компьютерные модели, которые, как правило, охватывали менее сотни атомов, расположенных в повторяющейся гексагональной структуре.
 
Некоторые исследователи также предположили, что расплавленные карманы во внутреннем ядре Земли могут объяснить некоторые из ее наблюдаемых свойств.
 
Но эти карманы, скорее всего, были выдавлены по мере затвердевания ядра, предполагают Чжан и его коллеги, и ни одна теория до сих пор не объяснила всесторонне странную гибкость внутреннего шара Земли.
 
Чтобы расширить свое представление о динамике решетки, Чжан и его коллеги использовали суперкомпьютер и алгоритм машинного обучения для моделирования гораздо более крупной атомной среды, насчитывающей более 10 000 атомов.
 
Исследователи предоставили своей модели данные, собранные в ходе лабораторных экспериментов с высоким давлением и температурой, призванных имитировать условия внутреннего ядра Земли.
 
Моделирование плотноупакованной структуры решетки при давлениях от 230 до 330 ГПа и температурах чуть ниже точки плавления железа предполагает, что атомы железа движутся по схеме коллективного движения, «при котором один атом выскакивает из своего положения равновесия и толкает соседние атомы».
 
Эта быстрая диффузия происходит в течение пикосекунд, одной триллионной доли секунды, поэтому движение не разрушает структуру решетки. Вместо этого атомы колеблются так, что железное ядро ведет себя как чрезвычайно мягкое твердое тело.
 
Эти результаты, конечно же, основаны на теоретических расчетах вещества, которое ученые не могут получить и могут только сделать выводы о его свойствах издалека. Принимая во внимание эти ограничения, полученные результаты хорошо согласуются с сейсмическими наблюдениями.
 
«Теперь мы знаем о фундаментальном механизме, который поможет нам понять динамические процессы и эволюцию внутреннего ядра Земли», — говорит старший автор Юнг-Фу Линь, геолог из Техасского университета.