Ученые из университета Эхимэ (Япония) пришли к выводу, что ядро Земли содержит жидкий суперионный водород, существующий в экстремальном физическом состоянии. Термодинамическое моделирование помогло понять, как это вещество циркулирует в условиях высоких температур. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Поскольку исследователи не могут напрямую изучать центр планеты, геофизикам приходится полагаться на компьютерные симуляции. Авторы исследования сфокусировали внимание на высокотемпературной форме водорода, который проводит электричество и обладает свойствами жидкости. Для понимания этих процессов были созданы квантовые модели сплавов железа и водорода с различными кристаллическими решетками.
Научная команда протестировала объемно-центрированную и гексагональную плотноупакованную кристаллические структуры. Вычисления показали, что первый вариант обладает избытком свободной энергии и химически реактивен для существования на глубине. В условиях высоких температур такая нестабильная структура расплавится в однородную массу.
Экстремальное состояние вещества
Гексагональная структура, согласно квантовым расчетам, является доминирующей во внутреннем ядре планеты. Она сохраняет термодинамическую стабильность при давлении в 3,5 млн атмосфер. Устойчивость сохраняется при температурах выше 6000 градусов по шкале Кельвина (5727 °C), что сопоставимо с показателями на поверхности Солнца.
Ученые выявили радиальный градиент распределения этого легкого элемента внутри земного шара. Концентрация вещества падает при пересечении границы между внешним и внутренним ядром планеты. Этот градиент выталкивает суперионный водород наружу, где он смешивается с расплавленными каменными породами.
Круговорот легких и тяжелых элементов обеспечивает химическую плавучесть, необходимую для работы геодинамо (возникновения магнитного поля в результате движения расплавленных пород). Неравномерное зональное распределение вещества продиктовано законами равновесной термодинамики и воздействием давления. Этот физический процесс позволяет железному внутреннему ядру расти со скоростью 1 мм в год.
Полученные результаты расширяют данные о процессах формирования нашей планеты. Понимание механизмов распределения элементов поможет предсказывать изменения магнитного поля Земли. Исследователи планируют применить свою математическую модель для анализа поведения кислорода и углерода в ядре. Подобные симуляции остаются основным методом изучения недоступных недр планеты.
Ранее Наука Mail рассказывала, как вода проникает в недра Земли.