Въпреки че е по-горещо от повърхността на Слънцето, кристализираното желязно ядро ​​на Земята остава твърдо. Ново проучване от KTH Royal Institute of Technology в Швеция може най-накрая да разреши дългогодишен дебат за това как е възможно, както и защо сеизмичните вълни се движат с по-висока скорост между полюсите на планетата, отколкото през екватора.

теория

Въртенето в разтопеното ядро ​​на Земята е кристална топка - всъщност масово образуване от почти чисто кристализирано желязо - почти с размерите на Луната. Разбирането на тази странна, ненаблюдаема черта на нашата планета зависи от познаването на атомната структура на тези кристали - нещо, което учените се опитват да направят от години.

Както при всички метали, кристалните структури на желязото в атомна скала се променят в зависимост от температурата и налягането, на които е изложен металът. Атомите са опаковани във вариации на кубични, както и шестоъгълни образувания. При стайна температура и нормално атмосферно налягане желязото е в така наречената телесно-центрирана кубична (BCC) фаза, която е кристална архитектура с осем ъглови точки и централна точка. Но при изключително високо налягане кристалните структури се трансформират в 12-точкови хексагонални форми или фаза в тясно опакован (HCP).

В сърцевината на Земята, където налягането е 3,5 милиона пъти по-високо от повърхностното налягане - а температурите са с около 6000 градуса по-високи - учените предполагат, че атомната архитектура на желязото трябва да бъде шестоъгълна. Дали BCC желязото съществува в центъра на Земята се обсъжда през последните 30 години, а скорошно проучване от 2014 г. го изключи, като се аргументира, че BCC ще бъде нестабилен при такива условия.

В скорошно проучване, публикувано в Nature Geosciences, изследователи от KTH установиха, че желязото в ядрото на Земята наистина е във фаза BCC. Анатолий Белоношко, изследовател от Катедрата по физика в KTH, казва, че когато изследователите са изследвали по-големи изчислителни проби от желязо от изследваните по-рано, характеристиките на BCC желязото, за които се е смятало, че го правят нестабилен, се получават точно обратното.

"При условия в ядрото на Земята, BCC желязото проявява модел на атомна дифузия, невиждан досега", казва Белоношко.

Белоношко казва, че данните показват също, че чистото желязо вероятно представлява 96% от състава на вътрешната сърцевина, заедно с никел и евентуално леки елементи.

Изводите им са направени от трудоемки компютърни симулации, извършени с помощта на Triolith, един от най-големите шведски суперкомпютри. Тези симулации им позволиха да интерпретират наблюденията, събрани преди три години в Националната лаборатория на Ливърмор Лорънс в Калифорния. "Изглежда, че експерименталните данни, потвърждаващи стабилността на BCC желязото в ядрото, са били пред нас - ние просто не знаехме какво всъщност означава това", казва той.

При ниска температура BCC е нестабилна и кристалните равнини се изплъзват от идеалната BCC структура. Но при високи температури стабилизирането на тези структури започва почти като игра на карти - с разбъркване на „колода“. Белоношко казва, че при екстремната топлина на ядрото атомите вече не принадлежат към равнини поради голямата амплитуда на атомното движение.

„Плъзгането на тези самолети е малко като разбъркване на тесте карти“, обяснява той. "Въпреки че картите са поставени в различни позиции, тестето все още е колода. По същия начин, BCC желязото запазва своята кубична структура."

Такова разбъркване води до огромно увеличаване на разпределението на молекулите и енергията - което води до увеличаване на ентропията или разпределението на енергийните състояния. Това от своя страна прави BCC стабилен.

Обикновено дифузията разрушава кристалните структури, превръщайки ги в течност. В този случай дифузията позволява на желязото да запази структурата на BCC. „Фазата BCC протича под мотото:„ Това, което не ме убива, ме прави по-силен “, казва Белоношко. "Нестабилността убива BCC фазата при ниска температура, но прави BCC фазата стабилна при висока температура."

Той казва, че тази дифузия обяснява и защо ядрото на Земята е анизотропно - тоест има текстура, която е насочена - като дървесното зърно. Анизотропията обяснява защо сеизмичните вълни се движат по-бързо между полюсите на Земята, отколкото през екватора.

"Уникалните характеристики на Fe BCC фазата, като високотемпературна самодифузия дори в чисто твърдо желязо, може да са отговорни за образуването на мащабни анизотропни структури, необходими за обяснение на анизотропията на вътрешното ядро ​​на Земята", казва той. "Дифузията позволява лесно текстуриране на желязото в отговор на всеки стрес."

Предсказанието отваря пътя към разбирането на вътрешността на Земята и в крайна сметка към предсказването на бъдещето на Земята, казва Белоношко. "Крайната цел на науките за Земята е да разберем миналото, настоящето и бъдещето на Земята - и нашето прогнозиране ни позволява да направим точно това."