Тверде залізне ядро Землі – це не все, що здається. Насправді лише цього року вчені виявили, що найглибша сфера нашої планети не гладка, а скоріше текстурована; і зупиняється обертання кожні сім десятиліть, перш ніж змінити напрямок. Тепер, в іншому дивовижному дослідженні, команда дослідників вважає, що вони з’ясували, чому тверде залізне ядро Землі трохи м’якше, ніж очікувалося: його атоми можуть рухатися.
У внутрішньому ядрі Землі, приблизно на відстані 5100 кілометрів (або 3170 миль) під нашими ногами, атоми заліза щільно упаковані в шестикутну структуру, стиснуту під величезним тиском і високими температурами. Нещодавні сейсмічні спостереження показали, що внутрішня сфера Землі демонструє деякі інтригуючі властивості, більше схожі на м’які метали, такі як свинець, і ближче до розплавленого заліза, ніж до твердої грудки, яку ми, можливо, уявляли у своїй свідомості.
На думку Юцзюня Чжана, фізика з Сичуанського університету в Китаї, і його колег із США та Китаю, які провели серію комп’ютерних симуляцій і лабораторних експериментів, це тому, що атоми заліза у внутрішньому ядрі міняються позиціями в межах запропонованої ними шестикутної структури решітки.
Подібно до людей, які міняються місцями за обіднім столом, атоми заліза мігрують до сусідніх позицій, не порушуючи основної металевої структури заліза, що робить ядро більш пластичним, припускають Чжан та його колеги.
«Тверде залізо стає напрочуд м’яким глибоко всередині Землі, тому що його атоми можуть рухатися набагато більше, ніж ми коли-небудь уявляли», — пояснює Чжан. «Цей підвищений рух робить внутрішнє ядро менш жорстким, слабшим проти сил зсуву».
До цього вчені змоделювали внутрішнє ядро Землі за допомогою комп’ютерних моделей, які мали тенденцію захоплювати менше сотні атомів, розташованих у повторюваній гексагональній структурі. Деякі дослідники також припустили, що кишені розплаву у внутрішньому ядрі Землі можуть пояснити деякі спостережувані властивості. Але, ймовірно, ці кишені були видавлені, коли ядро затверділо, припускають Чжан і його колеги, і жодна теорія ще не всебічно пояснила дивну гнучкість внутрішньої сфери Землі.
Щоб розширити свій погляд на динаміку решітки, Чжан і його колеги використовували суперкомп’ютер і алгоритм машинного навчання для моделювання набагато більшого атомного середовища з понад 10 000 атомів. Дослідники використали свої модельні дані, зібрані під час лабораторних експериментів із високим тиском і температурою, призначених для імітації умов внутрішнього ядра Землі.
При тиску в діапазоні від 230 до 330 ГПа і температурах трохи нижчих за температуру плавлення заліза моделювання щільно упакованої гратчастої структури свідчить про те, що атоми заліза рухаються за схемою колективного руху, «коли один атом вискакує зі свого положення рівноваги і штовхає його сусідніх атомів».
Ця швидка дифузія відбувається протягом пікосекунд, однієї трильйонної частки секунди, тому рух не порушує структуру решітки. Натомість атоми хитаються так, що залізне ядро поводиться як надзвичайно м’яке тверде тіло.
Ці результати, звісно, ґрунтуються на теоретичних розрахунках речовини, яку вчені не можуть взяти на зразки, і можуть лише здалеку припустити її властивості. Зважаючи на ці обмеження, результати добре узгоджуються з сейсмічними спостереженнями.
«Тепер ми знаємо про фундаментальний механізм, який допоможе нам зрозуміти динамічні процеси та еволюцію внутрішнього ядра Землі», — каже старший автор Юнг-Фу Лінь, геонауковий з Техаського університету. Джерело