Раскрыты особенности состава земного ядра
6 сентября 2025 г.
Исследователи определили, как присутствие кремния, серы, кислорода и углерода могло повлиять на процесс затвердевания внутреннего ядра Земли. Работа опубликована в Nature Communications.
Внутреннее ядро Земли, богатая железом масса в центре нашей планеты, медленно растет по мере того, как охлаждается окружающее его внешнее ядро. Одни ученые утверждают, что затвердевание внутреннего ядра началось более двух миллиардов лет назад, другие считают, что речь идет о менее чем половине миллиарда. Отчасти это связано с недостатком знаний о точном химическом составе ядра. Без этой информации его физические свойства и эволюция остаются загадкой.
Для того, чтобы расплавленное железо затвердело, оно должно быть переохлаждено (охлаждено ниже точки плавления). Предыдущие расчеты показали, что если бы ядро было из чистого железа, для начала затвердевания потребовалось бы 800–1000 градусов. Моделирование показало, что если ядро будет переохлаждено до такой степени, внутреннее ядро сильно увеличится и магнитное поле Земли ослабнет. Однако сейсмические наблюдения и существование древних намагниченных пород позволяют предположить, что ни того, ни другого в истории нашей планеты не происходило. Ученые считают, что в прошлом ядро могло остыть не более чем на 250 °C ниже точки плавления.
Исследовательская группа из Лидского университета, Оксфордского университета и Университетского колледжа Лондона провела исследование, чтобы выяснить, как при таком ограничении внутреннее ядро все же существует в твердом виде. Для этого она изучила, как наличие таких элементов, как кремний, сера, кислород или углерод, может влиять на процесс затвердевания.
«Каждый из этих элементов существует в вышележащей мантии и, следовательно, в ходе истории Земли мог раствориться в ядре. Это может объяснить, почему на этой глубине при относительно небольшом переохлаждении присутствует твердое внутреннее ядро. Наличие одного или более подобных элементов может также объяснить, почему ядро не такое плотное, как беспримесное железо», – рассказал соавтор исследования Эндрю Уокер, профессор Оксфордского университета.
Исследовательская группа использовала компьютерное моделирование при температурах и давлениях, аналогичных тем, что наблюдаются во внутреннем ядре. В результате обнаружилось, что кремний и сера, которые, как считается, присутствуют в ядре, замедляют процесс затвердевания. Если эти элементы в избытке присутствовали в ядре, для начала формирования внутреннего ядра потребовалось бы большее переохлаждение. В ходе моделирования ученые также обнаружили, что ускорению затвердевания способствовал углерод.
Исследователи постарались определить, какое переохлаждение потребуется для затвердевания внутреннего ядра, если 2,4% массы ядра состоит из углерода. Полученный результат, около 420 °C, – это все еще слишком много, чтобы соответствовать наблюдениям, но эта цифра наиболее близка к действительности. Однако когда они рассмотрели случай, в котором углерод составляет 3,8% массы ядра, требуемое переохлаждение снизилось до 266 °C. Это единственный известный состав, который мог бы объяснить зарождение и размер внутреннего ядра.
Результаты исследования указывают на то, что в ядре Земли может быть больше углерода, чем считалось ранее, и что без этого элемента формирование твердого внутреннего ядра, возможно, никогда бы не произошло. Эксперименты также показали, что затвердевание внутреннего ядра стало возможно благодаря определенному химическому составу, и это происходило без участия крошечных частиц, которые могли бы помочь начать процесс затвердевания.
«Изучая, как сформировалось внутреннее ядро Земли, мы не просто узнаем о прошлом нашей планеты. Мы получаем редкую возможность взглянуть на химический состав региона, до которого мы никогда не сможем добраться напрямую, и узнать о том, как он может измениться в будущем», – сказал ведущий автор исследования Альфред Уилсон из Лидского университета.
Источник: Оксфордский университет.
Метки: зарубежные исследования, история Земли