Ученые воспроизвели суперионное состояние вещества во внутреннем ядре Земли

Ученые с помощью высокоскоростной пушки смогли воспроизвести необычное состояние вещества, которое, как предполагалось, существует во внутреннем ядре Земли. Речь идет о частично твердой и частично жидкой форме материи. Эксперимент проводился с использованием микроскопических снарядов из железоуглеродистого сплава. Итоги исследования опубликованы в журнале National Science Review.

Так называемое суперионное состояние помогает объяснить ряд аномалий, зафиксированных в ядре планеты. Среди них — замедление распространения отдельных типов волн и данные измерений, указывающие на мягкие свойства среды, больше напоминающие масло, чем жесткий металл.

Физик Юцзюнь Чжан из Сычуаньского университета заявил, что впервые удалось экспериментально подтвердить крайне низкую скорость сдвига железоуглеродистого сплава в условиях, близких к внутреннему ядру. В этом режиме атомы углерода становятся подвижными и свободно перемещаются внутри кристаллической решетки железа, тогда как сам железный каркас сохраняет твердую и упорядоченную структуру. Такая суперионная фаза заметно снижает жесткость материала.

С 1930-х годов внутренняя структура Земли описывалась моделью, согласно которой внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, а внутреннее остается твердым из-за колоссального давления, несмотря на высокие температуры. Однако накопленные за десятилетия сейсмические данные указывали на несоответствия этой схеме.

Представления о строении планеты формируются на основе анализа распространения сейсмических волн. Их поведение при прохождении через среды с разными физическими свойствами позволяет судить о составе и состоянии глубинных слоев. При этом аномально низкая скорость сдвиговых волн во внутреннем ядре намекала на то, что его твердость отличается от привычных представлений.

В 2022 году коллектив исследователей под руководством геофизика Ю Хэ из Китайской академии наук выдвинул теоретическую модель, в которой суперионность объясняла эти наблюдения. Согласно расчетам, давление удерживает железо в твердом состоянии, тогда как экстремальный нагрев дает легким атомам возможность перемещаться, создавая гибридную фазу, сочетающую свойства твердого тела и жидкости.

Недавний эксперимент подтвердил эту гипотезу. Чжан, Ю Хэ и их коллеги применили метод динамического ударного сжатия, воздействуя на небольшой образец железоуглеродистого сплава. Условия подбирались так, чтобы поведение материала соответствовало предполагаемым параметрам внутреннего ядра Земли.

Для разгона частиц использовались двухступенчатые газовые пушки — высокоточные установки, в которых сочетаются бездымный порох и сжатый газ. Эти устройства позволяют разгонять микроскопические снаряды до предельных скоростей.

В ходе эксперимента снаряд из железоуглеродистого сплава разгоняли более чем до 7 километров в секунду и направляли в сильно сжимаемую мишень из фторида лития. Удар создавал обратную ударную волну, которая повышала давление до 140 гигапаскалей и температуру примерно до 2600 Кельвинов, что соответствует 2327 градусам Цельсия.

Эти параметры уступают условиям во внутреннем ядре Земли, где давление достигает 330–360 гигапаскалей, а температура оценивается в 5000–6000 Кельвинов. Тем не менее полученных значений оказалось достаточно для воспроизведения ключевых характеристик глубинной среды.

Смоделированное состояние сохранялось от наносекунд до микросекунд. За это время ученые успели зафиксировать температуру, плотность вещества и особенности распространения акустических волн, применяя лазерные методы и высокочувствительные датчики.

Результаты показали совпадение с сейсмическими наблюдениями: зафиксирована низкая скорость сдвиговых волн и значения коэффициента Пуассона, отражающего степень сжатия материала, аналогичные данным по внутреннему ядру Земли.

Эксперимент также подтвердил, что железная основа сплава остается жестко закрепленной, тогда как атомы углерода свободно перемещаются между узлами решетки. Такое поведение вещества ранее рассматривалось лишь в теоретических моделях.

Читайте также: