Ученые приблизились к разгадке одной из важнейших тайн нашей планеты — состава и температуры земного ядра. Как выяснили исследователи, углерод сыграл ключевую роль в его формировании, что объясняет, как жидкое ядро начало затвердевать миллиарды лет назад.
Железное ядро в центре нашей планеты не только создает магнитное поле, защищающее атмосферу и океаны от солнечной радиации, но и оказывает влияние на тектонику плит земной коры, которая постоянно меняет облик континентов. Несмотря на свою исключительную важность для существования жизни на планете, многие базовые характеристики ядра до сих пор остаются неизвестными для науки.
Температура внутреннего ядра Земли составляет приблизительно 5000 кельвинов (4727°С). В какой-то момент оно было в жидком состоянии, но с течением времени остыло и начало затвердевать, расширяясь к поверхности. При остывании оно выделяет тепло в вышележащую мантию, что приводит в движение потоки, вызывающие тектонические сдвиги плит.
Традиционно ученые исследовали состав ядра Земли двумя основными методами: через изучение метеоритов и сейсмологию. Метеориты, которые считаются остатками несформировавшихся планет или ядер разрушенных землеподобных тел, показывают, что ядро должно состоять из железа и никеля с возможными добавками кремния или серы. Сейсмология предоставляет более точные данные: звуковые волны от землетрясений ускоряются или замедляются в зависимости от материалов, через которые они проходят.
Однако данный метод также имеет свои недостатки. Сейсмические данные указывают на то, что ядро Земли примерно на 10% менее плотное, чем чистое железо, причем жидкое внешнее ядро плотнее твердого внутреннего. Тем не менее, вопрос о его истинном составе оставался открытым: различные комбинации элементов, которые использовали ученые в симуляциях, давали слишком широкий диапазон температур для отвердевания.
В новом исследовании ученые применили минеральную физику для изучения процесса, как ядро могло начать замерзать. Они пришли к выводу, что для начала кристаллизации жидкое ядро должно было переохладиться — охладиться ниже температуры плавления. Максимальное переохлаждение ядра могло составлять около 420 ниже температуры плавления. Большее переохлаждение привело бы к тому, что внутреннее ядро было бы больше, чем показывают сейсмологические данные.
Теперь исследователи подошли к задаче под новым углом: они смоделировали процесс сверхохлаждения — ситуацию, когда жидкий металл охлаждается ниже точки плавления и начинает кристаллизоваться. Если бы ядро Земли состояло исключительно из чистого железа, оно бы уже полностью застыло, что не наблюдается в действительности. Однако расчеты показали, что добавление углерода значительно изменяет ситуацию. При содержании углерода около 2,4% для начала кристаллизации достаточно переохлаждения примерно на 420, что согласуется с текущими размерами внутреннего ядра, определенными в расчетах сейсмологов.