Обнаружено загадочное состояние материи, текущей внутри ядра Земли
Выстреливая из высокоскоростной пушки крошечными снарядами из железо-углеродного сплава, ученые наконец продемонстрировали, что странное частично твердое, частично жидкое состояние, которое, как считается, существует внутри внутреннего ядра Земли, действительно возможно.
Это суперионное состояние вещества могло бы четко объяснить некоторые необычные поведения в ядре, например, то, как оно замедляет определенные волны, и измерения, которые предполагают, что оно мягкое, как масло, а не твердое, как холодная сталь.
» Впервые мы экспериментально показали, что сплав железо-углерод во внутренних условиях ядра демонстрирует чрезвычайно низкую скорость сдвига», — говорит физик Юджун Чжан из Сычуаньского университета в Китае.
«В этом состоянии атомы углерода становятся очень подвижными, диффундируя через каркас кристаллического железа, как дети, танцующие кадриль, в то время как само железо остается твердым и упорядоченным. Эта так называемая «суперионная фаза» резко снижает твердость сплава. жесткость».
По теме: После 20-летних поисков ученые наконец нашли истинное внутреннее ядро Земли
С 1930-х годов преобладающее представление о недрах Земли придерживалось модели жидкого, расплавленного внешнего ядра и внутреннего ядра, настолько раздавленного давлением, что оно остается твердым, несмотря на сильную преобладающую жару. Однако некоторые данные сейсмических данных, полученные за последние десятилетия, намекают на то, что мы не видим полной картины.
Наше понимание внутренней структуры Земли основано на сейсмических наблюдениях. То, как акустические волны движутся и отражаются от материалов с различными свойствами, позволило нам получить довольно детальное представление о внутренней архитектуре нашей планеты. Но низкая скорость поперечных волн, проходящих через ядро, в частности, предполагает, что, если оно твердое, то это не так, как мы привыкли.
В 2022 году группа под руководством геофизика Ю Хэ из Китайской академии наук теоретически продемонстрировала, что суперионность может решить загадку. В то время как огромное давление всей массы Земли на внутреннее ядро удерживает железо в твердой матрице, сильная жара позволяет более легким атомам течь и танцевать, как жидкость – суперионное состояние, одновременно твердое и жидкое.
Экспериментальные данные только что подтвердили эту возможность. Чжан, Хэ и их коллеги использовали технику, называемую динамическим ударным сжатием, чтобы раздавить небольшой кусок железо-углеродного сплава с такой силой, что он вел себя точно так же, как тот же сплав должен вести себя во внутреннем ядре Земли.
Для ускорения своих образцов они использовали двухступенчатые легкие газовые пушки – высокоточные устройства, которые используют бездымный порох и сжатый газ, чтобы отправлять крошечные частицы, летящие на экстремальных скоростях.
В этом эксперименте железо-углеродный снаряд был выпущен со скоростью более 7 километров (4,3 мили) в секунду по сильно сжимаемой мишени из фторида лития. Удар создает обратный удар, который сжимает образец до давления до 140 гигапаскалей и температуры около 2600 Кельвинов (2327 °C или 4220 °F).
Это не так экстремально, как во внутреннем ядре, диапазон давлений которого составляет от 330 до 360 гигапаскалей, а температура достигает 5000–6000 Кельвинов, но он достаточно высок, чтобы воспроизвести ключевые аспекты среды ядра.
Эти смоделированные условия длятся всего от наносекунд до микросекунд – но этого достаточно, чтобы исследовать температуру, плотность и распространение акустических волн с помощью лазеров и быстрых датчиков.
И, конечно же, результаты совпадают с низкой скоростью поперечной волны и измерением мягкости – расширения и сжатия – известного как коэффициент Пуассона, наблюдаемого в сейсмических показаниях внутренней части Земли. ядро.
В этих условиях, как показали исследователи, железная матрица остается прочно зафиксированной на месте, как Бэтмен, в то время как углерод течет между зазорами, как прыгающий Робин.
Это так элегантно. Это объясняет, почему сейсмические данные выглядят так, как они есть, и (с учетом экспериментальных данных, которые наиболее близки к самому внутреннему ядру) разрешает давние споры о том, как легкие элементы ведут себя при экстремальных давлениях.
Это может даже дать новое понимание магнитного поля Земли, огромной структуры, возникшей в космосе в результате танца проводимости и конвекции глубоко внутри планеты.
«Мы отходим от статической, жесткой модели внутреннего ядра к динамической». — говорит Чжан. «Понимание этого скрытого состояния материи приближает нас на один шаг к раскрытию тайн недр планет, подобных Земле».
Результат исследования был опубликован в журнале National Science Review.
