Внутреннее ядро Земли может быть суперионным

Многие загадки, связанные с внутренним ядром Земли, могут быть связаны с тем, что оно находится в особой суперионной фазе. Тяжелые железо и никель остаются твердыми, а легкие элементы более или менее свободно движутся по их кристаллической решетке, меняя характер проходящих сквозь них сейсмических волн. Такую картину подтвердили авторы новой работы, опубликованной в журнале Nature.

Еще со школы мы помним, что наша планета состоит из тонкой коры, под которой находится мантия, окружающая ядро. Ядро сложено из железа и никеля и разделяется на жидкое внешнее и твердое внутреннее. Эти знания получены косвенными способами: самые глубокие скважины не достигают и мантии, а тем более ядра. Его строение геологи изучают с помощью лабораторных экспериментов, моделирования и, конечно, сейсмических волн. Проходя сквозь вещество с разными свойствами, они меняют скорость и другие характеристики, позволяя «просвечивать» планету насквозь, словно рентгеном.

Подобные работы показали, что внутреннее ядро Земли не так плотно, как можно было ожидать от железа и никеля при огромной температуре (5400 °C) и давлении (около 350 гигапаскалей). По-видимому, оно содержит немалую примесь более легких элементов. В их числе могут быть кремний, сера, углерод, кислород и водород, но какие именно, в каких количествах и форме присутствуют там, неясно. В любом случае их наличие влияет не только на плотность, но и на температуру плавления, теплопроводность ядра, характер прохождения через него сейсмических колебаний.

Как показывают измерения сейсмографов, движение сквозь внутреннее ядро замедляет распространение поперечных S-волн, которые колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению их распространения. Ни чистое железо, ни железо-никель в разных комбинациях так вести себя не должны.

Поэтому в 2021 году Джон Бродхольт (John Brodholt) и его коллеги связали эту особенность с тем, что внутреннее ядро находится в «суперионном» состоянии, подобно воде в форме льда XVIII. В нем ионы кислорода образуют кристаллическую решетку, как в твердой фазе, а ионы водорода подвижно текут между ними, как в жидкости.

Сходно может быть устроено внутреннее ядро: тяжелые ионы железа и никеля находятся в твердой фазе, а частицы легких элементов движутся сравнительно свободно. Такую картину подтвердила новая работа Юя Хэ (Yu He) и его коллег из Китайской академии наук.

Ученые смоделировали поведение структуры из 64 атомов, включая никель, железо и набор легких элементов, при температуре и давлении, которые считаются характерными для внутреннего ядра. И хотя они использовали другую комбинацию легких элементов, нежели Бродхольт с соавторами, удалось вновь получить суперионное состояние вещества, в котором свободное движение легких ионов вызывает замедление S-волн.

Это может объяснить еще одну особенность внутреннего ядра — тот факт, что его влияние на сейсмические колебания меняется со временем. По одному из предположений, это может быть связано с тем, что скорость его вращения отличается от общей скорости вращения планеты. Но если внутреннее ядро действительно находится в суперионном состоянии, то к тем же результатам может приводить просто постоянное течение жидкой фазы в нем.

Существует и другая загадка сейсмических колебаний, проходящих сквозь внутреннее ядро: в направлении от полюса к полюсу они перемещаются быстрее, чем в экваториальной плоскости. По мнению Юя Хэ и его коллег, это, вероятно, связано с неравномерным распределением легких «жидких» элементов. Если они сконцентрированы в основном ближе к самому центру планеты и образуют там уплощенную с полюсов сферу, то могут приводить к анизотропному распространению сейсмических волн. Но как и почему эта жидкость собирается в такую «линзу», неизвестно.