Глибоко всередині Землі дослідники бачать ознаки того, що тверде внутрішнє ядро може бути впорядковане у кілька хімічних шарів. Експерименти з високим тиском на сплавах заліза, стиснених на синхротроні PETRA III у Німеччині, відтворюють загадкові відмінності у швидкості поширення сейсмічних хвиль, зафіксовані по всьому світу.
Дослідження очолила професорка Кармен Санчес-Вальє, яка у Мюнстерському університеті вивчає хімію глибин планет. Внутрішнє ядро Землі розташоване приблизно за 3 200 миль під нашими ногами. Це тверда металева куля, оточена рідким залізом.
Стискальні сейсмічні хвилі, відомі як P-хвилі, поширюються приблизно на 3–4 відсотки швидше вздовж полярних напрямків, ніж екваторіальних. Науковці називають цей ефект сейсмічною анізотропією — напрямною різницею швидкостей хвиль залежно від того, в якому напрямку вони проходять крізь тверде металеве середовище.
Як науковці моделюють внутрішнє ядро
Щоб перевірити цю можливість, команда створила крихітні зразки заліза з домішками невеликих кількостей кремнію та вуглецю, імітуючи сплави внутрішнього ядра. Ймовірно, ці легші елементи співіснують із залізом у ядрі, адже чисте залізо зробило б Землю надто щільною.
Попередні комп’ютерні моделі та експерименти з високим тиском показували, що ці елементи змінюють поведінку заліза, однак реалістичні суміші для внутрішнього ядра раніше не тестувалися. Нові зразки звужують цю прогалину, оскільки їхній склад наближений до значень, передбачених геофізичними дослідженнями для найглибших шарів планети.
Імітація тиску внутрішнього ядра
Сплави помістили у пристрій, відомий як комірка з алмазними ковадлами — прес, що стискає зразки між двома протилежно розташованими алмазами. Така установка створює тиск у мільйони разів більший за атмосферний, подібний до умов поблизу внутрішнього ядра Землі.
Після цього зразки нагріли приблизно до 820 градусів Цельсія (близько 1 500 °F), щоб сприяти їх деформації. На пучковій лінії PETRA III в Гамбурзі зосереджені рентгенівські промені досліджували зразки під час стискання та нагрівання.
Підказки з кристалічних структур
У процесі деформації мікроскопічні кристали в сплавах почали орієнтуватися у переважних напрямках, утворюючи так звану орієнтацію ґратки — тонкий візерунок узгоджених кристалічних напрямків.
Команда використала радіальну рентгенівську дифракцію — метод, що фіксує, як кристалічні площини перебудовуються навколо осі стискання, — щоб розшифрувати цю орієнтацію. З дифракційних зображень дослідники визначили, наскільки легко сплав деформується, та кількісно оцінили межу текучості — напруження, за якого метал починає пластично плинути.
«Нам вдалося розшифрувати орієнтацію ґратки за допомогою рентгенівської дифракції, перпендикулярної до осі стискання», — зазначив доктор Ефім Колесников, перший автор дослідження.
Як текстура впливає на хвилі
Знаючи, як кристали вирівнюються під тиском, дослідники змоделювали поширення звукових хвиль у сплаві за таких умов. Вони розрахували швидкість стискальних хвиль у різних напрямках і порівняли ці значення з попередніми вимірюваннями для чистого заліза за аналогічних екстремальних умов.
Сплав із кремнієм та вуглецем продемонстрував більший контраст між напрямками, тобто сильнішу сейсмічну анізотропію, ніж чисте залізо. Це означає, що навіть помірні кількості легких елементів можуть суттєво змінювати те, як внутрішнє ядро спрямовує сейсмічні хвилі з часом.
Хімічні шари внутрішнього ядра
Внутрішнє ядро Землі, ймовірно, не є хімічно однорідним: легші елементи можуть бути більш поширеними ближче до його верхньої частини, тоді як глибші зони переважно складаються із заліза. Використовуючи дані про деформацію, команда дослідила, як поступове зростання вмісту заліза з глибиною впливає на швидкість хвиль у різних напрямках.
Результати показали, що така шаруватість здатна відтворити спостережувану різницю між зовнішніми та внутрішніми частинами анізотропії ядра. У цій моделі внутрішнє ядро складається з вкладених оболонок із трохи різним хімічним складом — своєрідної «цибулинної» структури.
Наслідки такої шаруватості
Хімічно шарувате внутрішнє ядро свідчило б про те, що тверде металеве ядро формувалося не миттєво, а еволюціонувало протягом мільярдів років. Зони, багатші на кремній і вуглець поблизу верхніх шарів, можуть зберігати сліди ранніх етапів кристалізації, тоді як глибші області відображають більш пізній ріст.
Така шаруватість також може відображати спосіб, у який тепло виходить із рідкого зовнішнього ядра, нерівномірно передаючи енергію у мантію протягом тривалих проміжків часу. Ці теплові процеси впливають на швидкість охолодження ядра та на те, як довго воно здатне підтримувати глобальне магнітне поле планети.
Регіони внутрішнього ядра
Сейсмологи вже багато років дискутують про те, чи має внутрішнє ядро окремі області, зокрема про існування «найвнутрішнішого» ядра та про півкульні відмінності. Попередні дослідження показали, що P-хвилі поширюються приблизно на три відсотки швидше вздовж осі обертання Землі, що свідчить про певний масштабний порядок у металі.
Деякі команди пояснювали це вирівнюванням кристалів заліза, інші ж пропонували хімічні відмінності, часткове плавлення або різний розмір зерен. Нові експерименти посилюють ідею хімічної шаруватості, пов’язуючи конкретні властивості сплавів із реалістичними моделями анізотропії, не відкидаючи при цьому інших структурних особливостей.
Попереду ще багато питань
Попри досягнутий прогрес, експерименти охоплюють лише одну суміш заліза, кремнію та вуглецю, тоді як реальне внутрішнє ядро, ймовірно, містить і інші елементи.
Подальші дослідження мають перевірити, як кисень, водень і сірка впливають на кристалічну структуру та швидкість поширення хвиль за подібних екстремальних умов. Сейсмологи також продовжують уточнювати глобальні каталоги землетрусів, шукаючи тонкі зміни в шляхах хвиль, які могли б перевірити нові прогнози шаруватої будови ядра.
«Існувало кілька гіпотез щодо походження цієї анізотропії», — зазначила професорка Санчес-Вальє. — «Тепер, з новими результатами, ідея хімічно шаруватого внутрішнього ядра набуває нового значення».