Кристаллы «кварца» в ядре Земли питают ее магнитное поле

Ядро Земли состоит в основном из огромного шара жидкого металла, лежащего на глубине 3000 км под ее поверхностью и окруженного мантией из горячих пород.

Примечательно, что на таких больших глубинах и ядро, и мантия подвергаются чрезвычайно высоким давлениям и температурам. Кроме того, исследования показывают, что медленный ползущий поток горячих плавучих пород, перемещающийся на несколько сантиметров в год, переносит тепло от ядра к поверхности, что приводит к очень постепенному охлаждению ядра в течение геологического времени.

Однако степень охлаждения ядра Земли с момента его образования является предметом интенсивных споров среди ученых Земли. В 2013 году Кей Хиросе, ныне директор Института наук о жизни Земли (ELSI) Токийского технологического института (Tokyo Tech), сообщил, что ядро ​​Земли, возможно, остыло на целых 1000 градусов по Цельсию с момента его образования 4,5 миллиарда лет назад.

Такое существенное охлаждение было бы необходимо для поддержания геомагнитного поля, если бы не существовало еще одного еще неоткрытого источника энергии. Эти результаты стали большим сюрпризом для глубокоземного сообщества и создали то, что Питер Олсон из Университета Джонса Хопкинса назвал «парадоксом нового тепла ядра» в статье, опубликованной в журнале Science.

Охлаждение ядра и источники энергии для геомагнитного поля были не единственными сложными проблемами, с которыми столкнулась команда. Еще одним нерешенным вопросом стала  неопределенность относительно химического состава ядра.

«Ядро состоит в основном из железа и небольшого количества никеля, но также содержит около 10% легких сплавов, таких как кремний, кислород, сера, углерод, водород и другие соединения», — говорит ведущий автор нового исследования Хиросе. – Мы думаем, что одновременно присутствует множество сплавов, но мы не знаем пропорцию каждого элемента-кандидата».

Теперь, в этом последнем исследовании, проведенном в лаборатории Хиросе в ELSI, ученые использовали алмазы точной огранки, чтобы сжать крошечные образцы размером с пыль до того же давления, которое существует в ядре Земли. Высокие температуры в недрах Земли были созданы путем нагрева образцов лазерным лучом. Проводя эксперименты с рядом возможных составов сплавов в различных условиях, Хиросе и его коллеги пытаются определить уникальное поведение различных комбинаций сплавов, которые соответствуют особой среде, существующей в ядре Земли.

Поиск сплавов начал давать полезные результаты, когда Хиросе и его сотрудники начали смешивать более одного сплава.

«Раньше большинство исследований сплавов железа в ядре было сосредоточено только на железе и отдельном сплаве, – говорит Хиросе. – Но в этих экспериментах мы решили объединить два разных сплава, содержащих кремний и кислород, которые, как мы твердо уверены, существуют в ядре».

Исследователи были удивлены, обнаружив, что, когда они исследовали образцы в электронном микроскопе, небольшие количества кремния и кислорода в исходном образце объединились вместе, образовав кристаллы диоксида кремния — того же состава, что и минеральный кварц, обнаруженный на поверхности Земля.

«Этот результат оказался важным для понимания энергетики и эволюции ядра», – говорит Джон Хернлунд из ELSI, соавтор исследования. – Мы были взволнованы, потому что наши расчеты показали, что кристаллизация кристаллов диоксида кремния из ядра может стать огромным новым источником энергии для питания магнитного поля Земли».

Дополнительного импульса, который он дает, достаточно, чтобы решить парадокс Олсона. Команда также изучила последствия этих результатов для формирования Земли и условий в ранней Солнечной системе. Кристаллизация изменяет состав ядра, постепенно удаляя растворенный кремний и кислород. В конце концов, процесс кристаллизации остановится, когда в ядре исчерпаются древние запасы кремния или кислорода.

«Даже если у вас есть кремний, вы не сможете получить кристаллы диоксида кремния, не имея при этом некоторого количества кислорода, — говорит ученый ELSI Джордж Хелфрич, который смоделировал процесс кристаллизации для этого исследования. – Но это дает нам представление об исходной концентрации кислорода и кремния в ядре, потому что только некоторые соотношения кремния/кислорода совместимы с этой моделью».

Источник: geologyin.com