19 август 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Разкрити са суперйонните тайни на вътрешното ядро ​​на Земята

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 11 февруари 2022 в 00:01 140011
Вътрешна структура на Земята и суперйонното вътрешно ядро. Кредит: IGCAS

Ядрото на Земята, най-дълбоката част на нашата планета, се характеризира с изключително високо налягане и температура. Състои се от течно външно ядро ​​и твърдо вътрешно ядро.

Вътрешното ядро ​​се образува и расте поради втвърдяването на течното желязо на границата на вътрешното ядро. Вътрешното ядро ​​е по-малко плътно от чистото желязо и затова се предполага, че във вътрешното ядро може да се срещат и някои леки елементи .

Съвместен изследователски екип, ръководен от проф. Ю Хъ (Yu He) от Института по геохимия на Китайската академия на науките (IGCAS) е моделирал състоянието на материята във вътрешното ядро ​​на Земята въз основа на предположението, че основният му компонент (желязото) образува суперйонни сплави с леки елементи - водород, въглерод и кислород. Предложеният модел дава възможност да се обясни несъответствието между изчислената и измерената скорост на сеизмичните вълни във вътрешното ядро ​​и, като се вземе предвид влиянието на геомагнитното поле, неговата сеизмична анизотропия.

Изследването е публикувано в списание Nature.

При надлъжните вълни (най-горе) всяка частица от средата е подложена първо на натиск (сгъстяване), а след това разширяване, като по този начин изпитват възвратно-постъпателно движение в надлъжна посока, т.е. в посока на разпространение на вълната). Това са първичните вълни (P-вълни).

По-долу са напречните сеизмични вълни, наречени още вторични вълни (S вълни). При тях всяка частица се колебае, перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната.

Срещайки по пътя си материали с различни свойства, сеизмичните вълни се отразяват или пречупват, точно както лъч светлина се отразява от огледална повърхност или пречупва, преминавайки от въздуха във водата. Всякакви промени в еластичните характеристики и плътността на материала по пътя на разпространение на сеизмичните вълни ги карат да се пречупват, а при резки промени във свойствата на средата, енергията на вълните се отразява.

Основният източник на данни за структурата на дълбоките недра на Земята са обемните сеизмични вълни от два вида: надлъжни или компресионни вълни (означени със символа P) и напречни, или срязващи S-вълни. Те се пораждат заедно, но по-бавните S-вълни изостават при разпространението си и освен това могат да се разпространяват само в твърдо тяло. Скоростта на двете вълни зависи от плътността и еластичността на средата, което дава възможност да се получи информация за свойствата на веществата в дълбините на планетата. Именно анализът на сеизмичните данни направи възможно в началото на 20-ти век да се разбере, че ядрото има структура, а през 30-те години на миналия век показа, че вътре в него съществува гранична повърхност. В последващи проучвания учените установяват, че тази повърхност ограничава вътрешната част на ядрото с радиус от 1220-1230 километра. Данните за промените в скоростта на сеизмичните вълни довеждат до заключението, че веществото в него е в твърдо, кристално състояние.

Ядрото е недостъпно за директен химичен анализ. Съставът му се оценява въз основа на относителното разпространение от елементите, теоретичните представи за формирането на планетите и експериментите с модели, както и ограниченията, наложени върху плътността от резултатите от сеизмологичните и гравиметричните наблюдения. Основният компонент на ядрото е желязото,  в по-малки количества присъстват никел и други елементи, като кобалт, молибден, осмий, иридий и други. Но едно изцяло метално ядро ​​би било твърде плътно. Следователно, не само течното външно, но и вътрешното твърдо ядро трябва да съдържа леки примеси, като сяра, силиций, кислород, въглерод, водород.

Температурата на вътрешното ядро ​​се оценява на около 5400–5700 Келвина. Налягането според предварителния еталонен модел на Земята (PREM - Preliminary reference Earth model), в който разпределението на физическите характеристики на планетата е представено като функция на радиуса, е приблизително 330–360 гигапаскала. При такива условия желязото кристализира с образуването на така наречената хексагонална плътна опаковка на атоми или hcp модификация.

Наред с другите характеристики, PREM включва и изчислени скорости на сеизмичните вълни на различни дълбочини. Но според резултатите от проучвания през 2018 г., се оказа, че за твърдото вътрешно ядро ​​те са надценени с 2,5 процента. Така скоростта на S-вълните в центъра на ядрото се оказва 3,58, а не 3,67 километра в секунда, както предполага PREM. Това означава, че вътрешното ядро ​​не може да се счита за напълно твърдо.

Нужно е обяснение и за друга особеност на вътрешното ядро, наречена сеизмична анизотропия. Известно е, че P-вълните в ядрото се разпространяват около три процента по-бързо в полярна посока, отколкото в екваториална. Някои учени смятат, че това явление е свързано с наличието на различни модификации на желязото или неговите твърди сплави, в които кристалните решетки са ориентирани взаимно перпендикулярно. Други посочват, че в експериментите е показала стабилност само hcp модификацията.

Фазови диаграми на сплави от hcp-желязо с водород, кислород и въглерод (отляво надясно). Зелената площ е в твърдо състояние; синята област, суперйонно състояние; розовата зона е течно състояние. Фазовите състояния на числови модели (квадрати с цветни контури): зелено - твърдо; синьо - суперйонно; червено - течност. Звездичките отбелязват точките на топене, получени по двуфазния метод; широките сиви линии са изчислени криви на топене. Наклонените пунктирани линии са точките на топене на чистото hcp желязо. Вертикалните пунктирани линии са областта на температурите и наляганията за вътрешното ядро. Кредит: Yu He et al. / Nature, 2022

Групата изследователи от Китай, ръководена от Ю Хъ от Института по геохимия на Китайската академия на науките, се фокусира върху взаимодействието на желязото с леките компоненти на вътрешното ядро ​​- водород, въглерод, кислород, силиций и сяра. Използвайки числени симулации, те изчисляват термодинамичните характеристики на два варианта на hcp кристални решетки, съдържащи 64 атома на желязо. В първия случай атом на лек елемент замества атома желязо в решетката, във втория случай той е вкаран между възлите на решетката. Направени са изчисления за налягания от 340 до 360 гигапаскала и температури от 2000 до 7000 келвина.

Скорости на надлъжни (а) и напречни (b) вълни в желязо-водородни сплави (квадрати с червен контур); желязо-кислород (триъгълници с оранжеви контури); желязо-въглерод (кръгове със зелен контур); чисто желязо (пурпурни ромбове); Fe-силицид (плътни розови триъгълници); Fe-силицид-карбид (тюркоазени плътни кръгове). Звездичките показват скорости според PREM. За всички модели са посочени максималните температури на симулацията. Кредит: Yu He et al. / Nature, 2022

Оказа се, че сярата и силицият предпочитат да заменят желязото, образувайки стабилни твърди сулфиди и силициди. Водородът, въглеродът и кислородът при налягане под 350 гигапаскала (тоест по-далеч от центъра на ядрото) по-лесно проникват в междинните пространства на hcp-желязната решетка. Такива сплави могат да останат напълно твърди само до температура от 2500–2800 Келвина, което е значително по-ниско, отколкото във вътрешното ядро. Тогава подвижността на йоните на леките елементи се увеличава и при приблизително 3000 Келвина те започват да мигрират вътре в кристалната решетка.

Това състояние на материята, междинно между твърд кристал и течност, се нарича суперйонно. Той се разрушавава с пълно разтопяване на решетката в температурния диапазон 5413–5770 Келвина при налягане от около 330 гигапаскала, тоест при условия, съответстващи на границата на вътрешното ядро. Тази температура е с 500–800 градуса по-ниска от необходимата за стопяване на чисто hcp желязо.

Ю Хъ и неговите колеги изчисляват еластичните свойства на суперйонните сплави и определят скоростите на сеизмичните вълни в тях. Ако в твърди сплави с повишаване на температурата до 3000 Келвина стойностите на скоростите на двата вида вълни намаляват почти линейно, то с прехода към суперйонно състояние те демонстрират ускорено намаляване, особено за S-вълните. Моделирането с отчитане на присъствието на никел показва, че малко количество леки примеси, особено водород, дава стойност на скоростта, близка до тази, измерена през 2018 г.

Изглежда вещество в суперйонно състояние се среща и на други планети от Слънчевата система. По този начин суперйонният лед вероятно присъства във вътрешността на Уран и Нептун, наред с други високотемпературни модификации на леда, и допринася за образуването на техните магнитни полета. На Земята, както смятат Ю Хъ и колегите му, суперйонните железни сплави във вътрешното ядро ​​на Земята също участват в поддържането на механизма на геодинамото.

Илюстрация на структурата на суперйонни системи желязо-водород; желязо-кислород; желязо-въглерод (отгоре надолу). Кредит: Yu He et al. / Nature, 2022

Схема на конвективните потоци във външното течно ядро ​​и миграциятана леки йони в суперйонни сплави в твърдото вътрешно ядро. Светлосините криви са линии на геомагнитно поле. Кредит: Yu He et al. / Nature, 2022

Миграцията на йоните на леките елементи трябва да допринесе за преноса на топлина от вътрешното ядро ​​и по този начин да стимулира конвекцията, необходимо условие за възникване на динамо ефекта във външното течно ядро. Магнитното поле от своя страна въздейства върху суперйонните проводими сплави, което води до движение на леките йони. Възможно е по този начин примесите в състава на вътрешното ядро ​​да се преразпределят в достатъчна степен, за да предизвикат сеизмична анизотропия. Според авторите на статията вероятната връзка между геодинамото и сеизмичните особености на вътрешното ядро, която трябва да бъде изяснена при по-нататъшни проучвания, може да се превърне в ключ към разбирането на неговата структура и еволюция.

Справка:  “Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core” 9 February 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04361-x

Източник: Scientists Reveal Superionic Secrets of Earth’s Inner Core
Chinese Academy Of Sciences


fishcake1
Рейтинг : 2210
11.02 2022 в 14:57 1
+ 2
- 0
Браво за изчерпателната статия и чудесното обяснение.
 
Още от : Науки за Земята
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.