Атомы железа могут перемещаться в твердом внутреннем ядре Земли

Твердое железное ядро ​​Земли —  не совсем 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 ученых считает, что они выяснили, почему твердое железное ядро ​​Земли немного мягче, чем ожидалось: его атомы могут двигаться.

Во внутреннем ядре Земли, примерно в пяти тысячах километрах под нашими ногами, атомы железа плотно упакованы в гексагональную структуру, сжимаемую под огромным давлением и находящуюся под 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 ученых, которые провели серию компьютерных симуляций и лабораторных экспериментов, это происходит потому, что атомы железа во внутреннем ядре меняют положения внутри 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 автор исследования Юцзюн Чжан, физик из Сычуаньского университета в Китае 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 податливым 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 его 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 странную гибкость внутреннего шара Земли.

Чтобы расширить свое представление о динамике решетки, ученые 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.

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 работы Юнг-Фу Линь, геолог из Техасского университета.

Исследование опубликовано в PNAS.