Много от загадките около вътрешното ядро на Земята може да са свързани с това, че то се намира в особена суперйонна фаза. Тежкото желязо и никелът остават твърди, а леките елементи се движат повече или по-малко свободно по тяхната кристална решетка, променяйки характера на преминаващите през тях сеизмични вълни. Такава картина са потвърдили авторите на ново изследване, публикувано в списание Nature.
Още от училище помним, че нашата планета се състои от тънка кора, под която има мантия, обграждаща ядрото. Ядрото е съставено от желязо и никел и е разделено на течно външно и твърдо вътрешно. Тези знания са получени косвено: най-дълбоките сондажи не достигат до мантията, още по-малко до ядрото. Геолозите изучават структурата му с помощта на лабораторни експерименти, моделиране и, разбира се, сеизмични вълни. Преминавайки през вещество с различни свойства, те променят скоростта си и други характеристики, което им позволява да „светят“ през планетата като рентгенови лъчи.
Недрата на Земята изстиват много по-бързо, отколкото се смяташе
Подобни изследвания показали, че вътрешното ядро на Земята не е толкова плътно, колкото може да се очаква от желязо и никел при огромна температура (5400°C) и налягане (около 350 гигапаскала). Очевидно то съдържа значителен примес от по-леки елементи. Сред тях може да има силиций, сяра, въглерод, кислород и водород, но не е ясно какви именно, в какви количества и форма присъстват там. Във всеки случай тяхното присъствие засяга не само плътността, но и точката на топене, топлопроводимостта на ядрото и характера на преминаване на сеизмичните колебания през него.
Както показват измерванията на сеизмографите, движението през вътрешното ядро забавя разпространението на напречните S-вълни, които се колебаят в равнина, перпендикулярна на посоката на тяхното разпространение. Нито чистото желязо, нито желязо-никел в различни комбинации трябва да се държат по този начин.
Затова през 2021 г. Джон Бродхолт и неговите колеги свързали тази особеност с факта, че вътрешното ядро е в „суперионно“ състояние, подобно на водата под формата на лед XVIII (суперионен лед). В него кислородните йони образуват кристална решетка, както в твърда фаза, а водородните йони протичат подвижно между тях, като в течност.
Вътрешното ядро може да е устроено по подобен начин: тежките железни и никелови йони са в твърда фаза, докато частиците от леки елементи се движат относително свободно. Тази картина била потвърдена от новата работа на Ю Хе и неговите колеги от Китайската академия на науките.
Под таен проход под Панама духа мантиен вятър
Учените моделирали поведението на структура от 64 атома, включително никел, желязо и набор от леки елементи, при температури и налягания, които се считат за характерни за вътрешното ядро. И макар че те използвали друга комбинация от леки елементи в сравнение с Бродхолт и колегите му, успели отново да получат суперйонно състояние на вещество, при което свободното движение на леките йони предизвиква забавяне на S-вълните.
Това може да обясни още една особеност на вътрешното ядро - факта, че влиянието му върху сеизмичните колебания се променя с времето. Според едно от предположенията това може да се дължи на факта, че скоростта на неговото въртене се различава от общата скорост на въртене на планетата. Но ако вътрешното ядро наистина е в суперйонно състояние, тогава същите резултати може да се получат просто чрез постоянен поток на течната фаза в него.
Има и друга загадка на сеизмичните колебания, преминаващи през вътрешното ядро: в посока от полюс до полюс те се движат по-бързо, отколкото в екваториалната равнина. Според Ю Хе и неговите колеги това вероятно се дължи на неравномерното разпределение на леките „течни“ елементи.
