Японские ученые, используя ячейку с алмазными наковальнями, впервые смогли в лабораторном эксперименте получить давления и температуры, характерные для внешнего ядра Земли, а также проверить, каким будет при этом его состав. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Первичные данные о состоянии внутренних оболочек Земли геофизики получают из результатов сейсмических наблюдений. Крупные землетрясения вызывают сейсмические волны, которые распространяются в теле планеты, и по характеру прохождения которых — изменению скоростей и преломлению — ученые судят о глубинных структурах и границах слоев Земли.
Из результатов сейсмических наблюдений известно, что в центре Земли находится твердое ядро, окруженное менее плотной, частично расплавленной оболочкой — внешним ядром. Ученые предполагают, что эта оболочка сложена расплавленным железом, возможно, с примесями каких-то еще элементов.
Компьютерное моделирование и физические расчеты позволяют предполагать, какие в этой зоне должны быть условия — давление и температура. Но ученым всегда хотелось проверить эти данные экспериментально. Понятно, что пробурить скважину до ядра Земли и опустить туда зонд невозможно, поэтому речь шла только об экспериментах на приборах.
Японские ученые из Токийского университета решили для моделирования условий земного ядра использовать конструкцию под названием ячейка с алмазными наковальнями. Физически она представляет собой два алмаза конической формы, через острые концы которых передаются сжимающие усилия на рабочие площадки диаметром менее миллиметра. Благодаря исключительной твердости и прочности алмаза таким образом могут быть достигнуты давления в несколько миллионов атмосфер в огромном диапазоне температур, а прозрачность алмазов позволяет при этом изучать сквозь них образец с помощью целого ряда методов.
Авторы определенным образом доработали алмазную наковальню, что позволило им впервые достичь в лабораторном эксперименте давлений и температур, характерных для внешнего ядра, производя при этом рентгеновские измерения. Еще одна сложность заключалась в том, что в алмазной наковальне надо было зажимать не твердый материал, а жидкое железо. Измерять плотность жидкого образца труднее, чем твердого, поскольку для этого требуется больше времени. Но благодаря уникальной экспериментальной установке, которую авторы создавали в течение двадцати лет, им удалось собрать необходимые данные.
“Воссоздать условия центра Земли здесь, на поверхности, нелегко, — приводятся в пресс-релизе университета слова первого автора исследования Ясухиро Кувейама (Yasuhiro Kuwayama). — Мы использовали алмазную наковальню для сжатия образца жидкого железа, подверженного сильному нагреву. Но для того, чтобы создать условия, нам нужно было поддерживать их достаточно долго, чтобы проводить измерения. Это было настоящей проблемой”.
Исследователи успешно определили плотность жидкого железа и скорость распространения звука через него при чрезвычайно высоких давлениях. Для этого они использовали высокофокусный рентгеновский источник синхротронного комплекса SPring-8 с самой высокой в мире энергией, расположенный в префектуре Хёго, Япония.
Результаты подтвердили, что жидкое железо обладает примерно на 8 процентов большей плотностью, чем расплавленное внешнее ядро, а значит, в составе последнего помимо железа присутствуют другие, более легкие элементы, которые в настоящее время не идентифицированы.
“Мы обнаружили, что плотность жидкого железа, такого как во внешнем ядре, составляет около 10 тонн на кубический метр при давлении 116 гигапаскалей, а температура — 4350 Кельвинов, — пояснил Кувайяма. — Для справки, типичная комнатная температура составляет около 273 Кельвинов. Таким образом, этот образец в 16 раз горячее вашей комнаты и в 10 раз плотнее воды”.
Авторы надеются, что их результаты помогут раскрыть тайны глубинного строения Земли и будут полезны при построении моделей других планет.