Суперионные сплавы железа обвинили в сильном замедлении сейсмических волн в центре Земли
Китайские геохимики промоделировали состояние вещества во внутреннем ядре Земли на основе предположения о том, что главный его компонент (железо) образует суперионные сплавы с легкими элементами — водородом, углеродом и кислородом. Предложенная модель позволила объяснить несоответствие между расчетной и измеренной скоростью сейсмических волн во внутреннем ядре, а с учетом влияния геомагнитного поля — и его сейсмическую анизотропию. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Главный источник данных о строении глубоких недр Земли — это объемные сейсмические волны двух типов: продольные, или волны сжатия (обозначаются символом P), и поперечные, или сдвиговые S-волны. Они рождаются вместе, но при распространении более медленные S-волны отстают, а кроме того, они могут распространяться только в твердом теле. Скорость и тех, и других волн зависит от плотности и упругости среды, что дает возможность получить информацию о свойствах вещества в недрах. Именно анализ сейсмических данных позволил в начале XX века обнаружить ядро как структурный элемент планеты, а в 1930-х годах показал, что внутри него существует поверхность раздела. В ходе последующих исследований ученые установили, что эта поверхность ограничивает внутреннюю часть ядра радиусом 1220–1230 километров. Данные об изменениях скорости сейсмических волн привели к выводу о том, что вещество в ней находится в твердом, кристаллическом состоянии.
Ядро недоступно для прямого химического анализа. О его составе судят исходя из относительной распространенности элементов, теоретических представлений о формировании планет и модельных экспериментов, а также ограничений, налагаемых на плотность по результатам сейсмологических и гравиметрических наблюдений. Главный компонент ядра — железо, в меньших количествах присутствуют никель и другие сидерофильные элементы — кобальт, молибден, осмий, иридий и прочие. Но целиком металлическое ядро оказалось бы слишком плотным. Поэтому не только жидкое внешнее, но и внутреннее твердое ядро должны содержать и легкие примеси, такие как сера, кремний, кислород, углерод, водород.
Температура внутреннего ядра оценивается примерно в 5400–5700 кельвин. Давление, согласно Предварительной эталонной модели Земли (PREM), в которой распределение физических характеристик планеты представлено как функция радиуса, составляет приблизительно 330–360 гигапаскалей. В таких условиях железо кристаллизуется с образованием так называемой гексагональной плотнейшей упаковки атомов, или hcp-модификации.