Внутрішнє ядро Землі може бути заповнене екстремальним воднем

Уявіть собі, що в самому центрі Землі ховається форма водню, якої взагалі не існує на поверхні планети. За даними моделювання, описаного в матеріалі ScienceAlert, у внутрішньому ядрі може бути багато так званого суперіонного водню – речовини, що поводиться одночасно як рідина й провідник електрики.

Земля схожа на гігантську багатошарову ляльку: тверда кора, в’язка мантія, розпечене зовнішнє ядро і ще гарячіше внутрішнє. Чим глибше, тим вищі тиск і температура, а властивості речовини стають дедалі дивнішими. Саме в цих екстремальних умовах, куди людина ніколи не зможе спуститися, і може існувати цей «інопланетний» водень.

Що відомо коротко

• Учені змоделювали поведінку суперіонного водню у надзвичайних тисках і температурах, подібних до умов у ядрі Землі.
• Суперіонний водень тече як рідина, але водночас добре проводить електрику, що робить його унікальним станом речовини.
• Розрахунки показують, що у внутрішньому ядрі переважає гексагональна щільноупакована (HCP) структура суперіонного залізо-водневого сплаву.
• У ядрі може існувати , коли його вміст різко змінюється від зовнішнього до центральних частин внутрішнього ядра.
• Перерозподіл суперіонного водню між внутрішнім і зовнішнім ядром може живити геодинамо, яке створює магнітне поле Землі.

Що таке суперіонний водень і чому він такий дивний

Звичайний водень ми знаємо як газ, рідину або твердий лід при дуже низьких температурах. Але в надвисоких тисках і температурах він переходить у суперіонний стан. У такому стані важчі атоми (наприклад, заліза) утворюють кристалічну «решітку», а легкі атоми водню ніби «прослизають» між ними, рухаючись майже вільно.

Це схоже на крижану решітку, крізь яку тече вода: каркас залишається, а частина атомів поводиться як рідина. Завдяки цьому суперіонний водень може проводити електрику, як метал, але при цьому зберігати певний порядок у структурі.

На поверхні Землі такі умови неможливі: потрібні мільйони атмосфер тиску і тисячі градусів. Тому цей стан речовини – справжній «інопланетянин», який може існувати лише глибоко всередині планет.

Як водень вбудовується в залізне ядро

Щоб зрозуміти, як саме водень поводиться в ядрі, дослідники змоделювали три варіанти його існування в сплаві з залізом. Два з них – це суперіонні залізо-водневі сплави з різною будовою кристалічної решітки.

Перший варіант – гексагональна щільноупакована (HCP) структура. У ній атоми заліза щільно «упаковані» у вигляді шестикутних шарів, а водень рухається між ними. Другий – об’ємно-центрованна кубічна (BCC) структура, де атоми заліза розташовані у вигляді куба з додатковим атомом у центрі, а водень знову ж таки тече крізь цю решітку.

Постає питання: яка з цих форм стійкіша в пекельних умовах ядра? Або ж ядро – це взагалі хаотична розплавлена суміш, де і залізо, і водень рухаються вільно, без чіткої структури?

Розрахунки показали, що суперіонна BCC-фаза має вищу вільну енергію, тобто вона менш стабільна і більш реактивна, ніж HCP-фаза. Натомість HCP-структура виявилася термодинамічно стійкішою в більшості реалістичних для ядра умов.

Коли екстремальні умови стають «занадто» екстремальними

Моделювання показало, що за певних умов BCC-фаза все ж може стати стабільнішою за HCP. Це може статися, якщо температура перевищує приблизно 6400 К (близько 6100 °C), вміст водню сягає понад 20%, а тиск становить близько 3,6 мільйона атмосфер.

Однак саме такі надекстремальні умови можуть призвести до того, що структура просто розплавиться, перетворившись на «залізну кашу». Тобто BCC-фаза теоретично можлива, але практично її переважання в ядрі малоймовірне – її «перекриває» плавлення.

У підсумку дослідники роблять висновок, що у внутрішньому ядрі Землі з більшою ймовірністю домінує суперіонна HCP-структура, яка співіснує з рідкою фазою в системі залізо–водень.

Невидимий потік водню всередині планети

Ще один важливий результат – це уявлення про те, як водень розподілений у ядрі. Моделювання вказує на радіальний градієнт у внутрішньому ядрі: вміст водню різко зменшується при переході від зовнішнього ядра до центру внутрішнього.

Такий градієнт може «штовхати» суперіонний водень до межі внутрішнього ядра. Там він втрачає свій суперіонний стан і знову переходить у рідку суміш, збагачуючи зовнішнє ядро воднем.

Це означає, що обмін водню між внутрішнім і зовнішнім ядром відбувається не лише під час кристалізації внутрішнього ядра. Він також іде через безперервний перерозподіл суперіонного водню, тоді як внутрішнє ядро продовжує повільно зростати зі швидкістю близько 1 міліметра на рік.

Дослідники припускають, що обидва процеси – кристалізація і перетікання суперіонного водню – можуть робити внесок у так звану хімічну плавучість. Вона вважається важливим джерелом енергії, яке живить геодинамо – механізм, що створює магнітне поле Землі.

Чому це важливо для розуміння ядра і магнітного поля

Щоб повністю пояснити загадкові коливання густини і відмінності в матеріалі всередині ядра, потрібно врахувати не лише водень, а й інші легкі елементи. Серед них – кисень і вуглець, які, за розрахунками, «віддають перевагу» рідкій фазі.

Попри це, результати роботи показують, що розподіл різних форм водню в ядрі в першу чергу контролюється температурою, а не тиском. Іншими словами, те, як тепло розподілене в глибинах планети, визначає, де і в якій формі може існувати суперіонний водень.

На думку авторів, така термодинамічна картина може стосуватися й інших легких елементів. Це означає, що їхній розподіл теж може впливати на склад, динаміку та еволюцію ядра – а отже, і на стабільність магнітного поля, яке захищає нас від космічного випромінювання.

FAQ

Це вже підтверджений факт чи лише теоретична модель?

Йдеться про результати моделювання, а не про прямі вимірювання в ядрі, до якого ми не можемо дістатися. Тому це поки що теоретичний опис того, як поводитиметься водень за таких умов. Але він базується на відомих законах термодинаміки і сучасних розрахункових методах.

Чому вчені не можуть просто «побачити» суперіонний водень у ядрі?

Тиск у мільйони атмосфер і тисячі градусів температури недосяжні для прямих спостережень у надрах Землі. Ми можемо лише відтворювати подібні умови в лабораторіях на дуже малих масштабах і поєднувати це з комп’ютерним моделюванням, щоб робити висновки про глибини планети.

Як це пов’язано з магнітним полем Землі?

Магнітне поле створюється рухом електропровідної рідини у зовнішньому ядрі – це і є геодинамо. Якщо суперіонний водень і інші легкі елементи впливають на рух і розподіл цієї рідини, вони можуть змінювати джерела енергії, що підтримують магнітне поле.

Чи може подібний суперіонний водень існувати в ядрах інших планет?

Дослідження прямо цього не аналізує, але описаний механізм базується на загальних фізичних принципах. Тому подібні стани водню можуть виникати і в ядрах інших планет з достатньо високим тиском і температурою, впливаючи на їхні магнітні поля та еволюцію.

🤯 Якщо в центрі Землі справді тече невидимий океан суперіонного водню, то наше магнітне поле й еволюція планети залежать від форми речовини, якої ми ніколи не побачимо безпосередньо – це нагадує, що найважливіші процеси у Всесвіті часто відбуваються в умовах, які ми можемо лише уявити за допомогою фізики та уяви.