RW Space

Земля подобна каменистой, расплавленной посередине матрешке – или, возможно, гниющей луковице с мягким центром, хотя последняя аналогия придает нашей величественной планете гораздо меньше достоинства.

Хотя лишь несколько горсток (точнее, 39 пальцев) людей высадились на самых глубоких глубинах океана или на поверхности Луны, есть одна относительно близкая инопланетная среда, которую ни один человек никогда лично не посетит. исследовать: ядро Земли.

Приближаясь к нему, каждый земной слой отличается по составу, в нем увеличивается давление и температура, демонстрируя уникальные свойства материала, которые становятся тем темнее, чем глубже мы погружаемся.

Итак, в недавнем исследовании исследователи исследовали самый потрясающий из этих материалов: суперионный водород, потустороннюю версию водорода, которая течет как жидкость, проводит электричество и встречается только в самых экстремальных условиях.

Они обнаружили, что это Суперионный водород на самом деле может быть в изобилии в ядре нашей планеты, хотя он больше нигде на Земле не встречается.

Чтобы лучше понять эту эзотерическую элементарную форму, включая термодинамику ее существования и общее распределение водорода в ядре, исследователи смоделировали три его типа.

Это включало два типа суперионных железо-водородных сплавов, в которых водород протекает через кристаллические решетки железа, расположенные по-разному.

Первый — шестиугольное плотноупакованное (HCP) расположение:

Второй суперионный железо-водородный формат известен как объемно-центрированная кубическая структура (BCC):

Но какая форма преобладает в адски горячих, сокрушительных пределах нашего хаотического ядра? Возможно, это не так, и ядро представляет собой беспорядочную расплавленную смесь, в которой свободно текут и железо, и водород.

Исследователи подсчитали, что фаза BCC суперионного водорода имеет более высокую свободную энергию или больше доступной энергии для выполнения физического определения работы и, следовательно, менее стабильна и более реакционноспособна, чем фаза HCP.

Фаза HCP суперионного водорода, напротив, демонстрирует большую термодинамическую стабильность.

Моделирование предполагает, что сдвиг стабильности происходит как условия становятся более экстремальными. Гипотетически, фаза BCC может стать более стабильной, чем фаза HCP, когда температура превысит 6400 Кельвинов (6100 градусов Цельсия или 11 000 градусов по Фаренгейту), а содержание водорода превысит 20% при давлении 3,6 миллиона атмосфер – действительно экстремально.

Возможно, слишком экстремально, потому что преобладание BCC может быть практически невозможным, поскольку интенсивные условия могут просто расплавить ее в магматическое железо, вязкое.

В результате исследователи обнаружили, что структура HCP с большей вероятностью проникнет во внутреннее ядро Земли.

«Наши расчеты показывают, что водород может стабилизировать суперионную фазу BCC при достаточно высокой температуре и содержании водорода», — говорят исследователи.

«Однако это поле стабильности заменяется плавлением, поэтому только суперионная фаза HCP сосуществует с жидкостью в Fe – H системы.»

Что касается общего содержания водорода, то во внутреннем ядре, по-видимому, существует радиальный градиент концентрации, причем состав водорода «резко падает» при пересечении границы от внешнего ядра Земли и движении к центру внутреннего ядра.

Этот радиальный градиент водорода может направлять суперионный водород к внутренней границе ядра, где он теряет свой суперионный статус и перераспределяется в жидкую смесь для обогащения внешнего ядра.

Этот результат предполагает, что происходит обмен водородом между внутренним и внешним ядром. не ограничивается прямым разделением, которое происходит при кристаллизации внутреннего ядра.

Обмен также происходит посредством непрерывного перераспределения суперионного водорода, при этом внутреннее ядро продолжает расти со скоростью 1 миллиметр в год.

«Оба процесса могут способствовать химической плавучести, которая, как полагают, является важным источником энергии, приводящей в движение геодинамо», — говорят исследователи.

Дальнейшее выяснение загадочных флуктуаций плотности и различий в материалах во внутреннем ядре и его границах потребует учета других легких элементов, таких как «сильно предпочитающие жидкость» кислород и углерод.

По теме: Ядро Земли, похоже, обернуто слоями, как луковица, показали исследования

Но в целом кажется, что распределение между различными типами водорода в ядре контролируется в первую очередь температурой, а не давление.

«Таким образом, наши результаты демонстрируют, что неравномерное распределение суперионного водорода во [внутреннем ядре] является прямым следствием равновесной термодинамики», — заключают исследователи.

«Этот механизм может также применяться к распределению других легких элементов, влияя на состав, динамику и эволюцию ядра».

Это исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.