Вуглець міг запустити замерзання ядра Землі

Нові дослідження показали, що вуглець може бути ключовим елементом, який ініціював формування твердого внутрішнього ядра Землі, спричинивши кристалізацію заліза в надрах планети.

Креслення Землі з розрізом, що показує мантію, внутрішнє і зовнішнє ядро. Лінії магнітного поля, вироблені геодинамо, поширюються в космос і взаємодіють з сонячним вітром. Багате на залізо ядро в центрі Землі повільно замерзає зсередини назовні. Це зростання твердого внутрішнього ядра живить магнітне поле, яке захищає нашу планету від шкідливої космічної погоди. Як і коли внутрішнє ядро вперше почало замерзати, залишається загадкою, але нові дослідження показують, що її розгадка може розкрити склад ядра, давши нам чіткішу картину глибоких надр Землі. Зображення: доктор Альфред Вілсон

Команда дослідників із Оксфорда, Лідса та UCL провела моделювання в атомному масштабі, щоб визначити, як саме вуглець впливає на процес замерзання ядра. Вони встановили, що за вмісту 2,4% маси вуглецю ядро потребувало переохолодження на 420°С для кристалізації. Це вже значно нижче порівняно з 800-1000°С, необхідними для чистого заліза. “Захоплююче спостерігати за тим, як процеси атомного масштабу контролюють фундаментальну структуру та динаміку нашої планети”, – зазначив провідний автор доктор Альфред Вілсон.

Важливо, що при збільшенні вмісту вуглецю до 3,8% переохолодження, необхідне для початку замерзання, впало до 266°С. Це єдиний склад, який пояснює як зародження кристалів, так і поточний розмір внутрішнього ядра. Дослідження також показало, що “процес кристалізації відбувався без зародкового насіння”, на відміну від того, як утворюється лід у хмарах. Усі потенційні частинки, які могли б слугувати зародками в ядрі, розчинялися або плавилися за таких умов.

Моделювання підтвердило: вуглець значно прискорює зародження кристалів у переохолодженій рідині. “Ми отримуємо рідкісний шанс зазирнути в хімію регіону, до якого ми ніколи не зможемо дістатися безпосередньо”, – підкреслив Вілсон. Це дослідження дозволило уточнити умови, в яких виникло тверде внутрішнє ядро, і показало, що вуглець, а не сірка чи кремній, міг зіграти головну роль у цьому процесі.

Попередні уявлення базувались на тому, що ядро містить легкі елементи, які знижують температуру плавлення. Але виявилося, що сірка та кремній уповільнюють кристалізацію, вимагаючи ще глибшого переохолодження. Це робить їх малоймовірними каталізаторами формування твердого ядра. “Присутність одного або декількох з цих елементів також може пояснити, чому ядро менш щільне, ніж чисте залізо”, – пояснив співавтор дослідження доцент Ендрю Вокер.

Поперечний переріз Землі, що показує мантію, зовнішнє ядро та внутрішнє ядро. Конвекція в зовнішньому ядрі створює геомагнітне поле Землі. Властивості багатого на залізо ядра Землі є ключовими для розуміння глибоких надр нашої планети, від температури до способу, яким воно генерує глобальне магнітне поле. Точний хімічний склад ядра залишається невідомим, але нові дослідження припускають, що процес, який спровокував замерзання твердого внутрішнього ядра від навколишнього рідкого зовнішнього ядра, може розкрити його склад і пролити світло на його загадкові властивості. Зображення: доктор Альфред Вілсон

Це дослідження суттєво вплинуло на суперечку про вік ядра. Одні вчені вважають, що воно почало формуватися понад два мільярди років тому, інші – менш як півмільярда. Нові дані про склад ядра дозволяють наблизитися до розв’язання цього питання. Формування твердого внутрішнього ядра Землі стало поворотним моментом, який, ймовірно, допоміг стабілізувати геомагнітне поле нашої планети.

Глобальне магнітне поле виникає завдяки конвекції у зовнішньому ядрі, яка живиться енергією, що виділяється під час кристалізації внутрішнього ядра. Точний хімічний склад цього регіону лишається невідомим, однак роль вуглецю тепер важко переоцінити. Це нове обмеження на склад ядра може пояснити походження геомагнітного поля та дає змогу глибше зрозуміти динаміку надр Землі.

Використання моделювання на основі 100 000 атомів дало змогу дослідити, як часто утворюються “зародки кристалів” у рідкому середовищі під тиском ядра. Дослідники спостерігали, як вуглець ініціює цей процес у середовищі, де інші елементи, зокрема сірка та кремній, демонстрували протилежну дію. Ці результати вказують на нову роль вуглецю як каталізатора формування внутрішнього ядра, зсуваючи наукову парадигму щодо складу надр нашої планети.