Углеродный ключ к загадке земного ядра

Глубоко в недрах Земли, под многими километрами породы и раскаленной мантии, скрывается одна из величайших загадок нашей планеты — ее твердое внутреннее ядро. Процесс его формирования миллионы лет назад долгое время оставался предметом горячих научных споров. Новое революционное исследование, проведенное учеными из Оксфордского университета, проливает свет на эту тайну, указывая на неожиданного героя — углерод. Оказывается, именно этот элемент мог сыграть ключевую роль в рождении твердого сердца Земли, и его там гораздо больше, чем кто-либо мог предположить.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Communications, для начала кристаллизации ядра и его роста без катастрофических последствий для планеты требовалось особое химическое условие. Ранее считалось, что чистое железное ядро должно было переохладиться на колоссальные 800–1000 °C ниже своей точки плавления, чтобы начать затвердевать. Однако такое экстремальное переохлаждение привело бы к мгновенному и массивному росту внутреннего ядра и исчезновению магнитного поля Земли, чего в истории планеты не происходило. Реальная цифра переохлаждения, по мнению ученых, не превышала 250 °C.

Разрешить это противоречие помогло сложное компьютерное моделирование в атомном масштабе. Ученые проанализировали, как различные элементы, предположительно присутствующие в ядре, влияют на процесс кристаллизации.

Результаты оказались поразительными: такие элементы, как кремний и сера, которые часто называют основными «легкими» компонентами ядра, на самом деле мешали замерзанию, требуя еще большего переохлаждения. И только один элемент показал противоположный эффект — углерод. Он действовал как катализатор, значительно ускоряя процесс нуклеации — образование первых кристаллоподобных кластеров атомов.

Моделирование показало, что только при содержании углерода в 3,8% необходимое переохлаждение снижается до жизнеспособных 266 °C. Этот уникальный состав идеально объясняет как сам факт зарождения внутреннего ядра, так и его наблюдаемые сегодня размеры.

Более того, процесс кристаллизации, согласно модели, мог начаться спонтанно, без необходимости в каких-либо посторонних «зародышах» — частицах, которые обычно запускают замерзание. Это критически важно, поскольку в условиях ядра любые такие частицы должны были бы расплавиться или раствориться.

Это открытие не только указывает на то, что углерод может быть гораздо более распространен в ядре Земли, чем считалось ранее, но и кардинально меняет наше понимание его формирования. Без углерода твердое внутреннее ядро могло бы никогда не возникнуть, а без него не было бы и того магнитного поля, которое защищает все живое на поверхности от космической радиации. Это исследование дает редкую возможность заглянуть в недоступные глубины нашей планеты и понять химические процессы, которые сформировали ее прошлое и определяют ее будущее.