Материал ядра Земли впервые воспроизведен в лабораторных условиях

Ученые давно пытаются расшифровать состав ядра Земли. Используя самые современные методы, группа исследователей сумела синтезировать кристаллы, аналогичные тем, которые, как считается, входят в состав этой глубинной части нашей планеты. Этот прорыв может пролить свет на внутреннее устройство Земли и открыть новые перспективы для интерпретации сейсмологических данных.

Ядро Земли, эта глубокая и загадочная часть нашей планеты, остается практически неизученной из-за своей недоступности. Однако его понимание крайне важно для расшифровки внутренних механизмов, управляющих Землей.

Недавно исследователи сделали значительный шаг вперед. Им удалось воспроизвести в лаборатории кристаллы, аналогичные тем, которые, как считается, существуют в сердцевине нашей планеты. Этот материал, называемый гексаферрумом или эпсилон-железом (ϵ-Fe), стабилен только при очень высоких давлениях. По оценкам ученых, большая часть железа в ядре Земли находится именно в такой форме.

Это открытие может не только пролить свет на состав ядра, но и повлиять на интерпретацию сейсмических явлений, предложив новый взгляд на земные недра. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Проблема воспроизведения

Ядро Земли, расположенное на глубине тысяч километров под нашими ногами, представляет собой экстремальные условия давления и температуры. Воспроизвести эти условия в лаборатории, на поверхности Земли, — сложная задача, требующая специального оборудования и передовых методик. Алмазные наковальни, благодаря своей исключительной твердости, в сочетании с интенсивными источниками тепла позволяют в течение короткого времени имитировать эти экстремальные условия.

Именно в таких условиях и проводились эксперименты исследовательской группы под руководством физика Аньес Девель из Университета Париж-Сакле. Используя эти наковальни и применяя сильное тепло, ей и ее коллегам удалось создать условия для синтеза кристаллов эпсилон-железа (ϵ-Fe), которое, как считается, преобладает в ядре Земли. Это достижение является не только техническим прогрессом, но и открывает путь к новым исследованиям состава и свойств ядра нашей планеты.

Инновационный подход

Превращение материалов в различных условиях — это тонкий процесс, требующий точного и контролируемого подхода. В случае железа можно наблюдать несколько фаз в зависимости от давления и температурных условий. Вместо того чтобы воздействовать на железо высоким давлением непосредственно, исследователи применили более тонкую стратегию.

Вначале они нагрели образец железа в α-фазе — обычной кристаллической структуре железа при комнатной температуре, поддерживая при этом постоянное давление. Этот шаг позволил образцу перейти в γ-фазу — другую кристаллическую структуру железа. После достижения этой фазы специалисты использовали метод изотермического нагнетания давления, то есть повышали давление при сохранении постоянной температуры. После достижения требуемого давления переходили к изобарическому охлаждению, при котором температура снижается при сохранении постоянного давления.

Эта серия этапов позволила превратить γ-железо в ϵ-железо. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет избежать фрагментации материала. В предыдущих исследованиях прямое прессование железа часто приводило к образованию множества мелких кристаллов, что затрудняло анализ и изучение свойств материала. Новый подход позволил получить более чистый и однородный образец ϵ-железа, что создало лучшую основу для дальнейших исследований.

Сейсмологические последствия

Земля представляет собой сложный комплекс слоев, каждый из которых обладает своими физическими и химическими свойствами. Особенно интригующим для геофизиков является глубокое ядро. Одним из основных методов изучения этой труднодоступной области является анализ сейсмических волн, возникающих при землетрясениях или других геологических процессах.

Железо, являющееся одним из основных компонентов земного ядра, играет решающую роль в распространении сейсмических волн. Если мы сможем понять точные свойства железа на этих глубинах, мы сможем уточнить наши сейсмологические модели и получить более точную картину земных недр.

Изучая гексаферрум, или эпсилон-железо (ϵ-Fe), авторы обнаружили, что его упругие свойства зависят от направления. Это означает, что в зависимости от ориентации кристаллов железа в ядре сейсмические волны могут распространяться с большей или меньшей скоростью. Такая упругая анизотропия может стать ключом к объяснению некоторых сейсмологических наблюдений, когда волны распространяются быстрее в одних направлениях, чем в других.

На пути к лучшему пониманию ядра Земли

Разработанные исследователями методы и приемы воспроизведения условий земного ядра в лабораторных условиях являются особенно перспективными. Они могут быть адаптированы или усовершенствованы для изучения других материалов или условий, преобладающих в глубинах Земли. Эти технические достижения могут быть использованы и для моделирования других экстремальных условий, например, на других планетах или лунах нашей Солнечной системы.

Кроме того, полученные экспериментальные данные бесценны. На сегодняшний день разработано множество теоретических моделей, пытающихся объяснить состав и свойства ядра Земли. Однако без экспериментальных данных, подтверждающих или опровергающих их, эти модели оставались в значительной степени умозрительными. Благодаря полученным новым данным ученые теперь могут противопоставить этим моделям конкретные результаты и тем самым уточнить наши представления о ядре.