Physical Review Letters: в ядре Земли могут быть огромные запасы гелия

Фото из открытых источников

Исследователи из Японии и Тайваня впервые обнаружили, что гелий, обычно считающийся химически инертным, может связываться с железом под высоким давлением. Они использовали нагреваемую лазером ячейку с алмазной наковальней, чтобы найти это, и открытие предполагает, что в ядре Земли могут быть огромные количества гелия. Это может бросить вызов давним представлениям о внутренней структуре и истории планеты и даже может раскрыть детали туманности, из которой образовалась наша Солнечная система. Новое исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Во время извержения вулкана часто обнаруживаются следы того, что известно как первичный гелий. То есть, гелий, который отличается от обычного гелия, или 4 He, так называемого потому, что он содержит два протона и два нейтрона и непрерывно образуется в результате радиоактивного распада. Первичный гелий, или 3 He, с другой стороны, не образуется на Земле и содержит два протона и один нейтрон.

Учитывая иногда высокие соотношения 3He / 4He, обнаруженные в вулканических породах, особенно на Гавайях, исследователи долгое время считали, что глубоко в мантии существуют первичные материалы, содержащие 3He.

Однако Харуки Такэдзава и члены группы профессора Кея Хиросе с кафедры наук о Земле и планетах Токийского университета теперь бросили вызов этой точке зрения, предложив новый взгляд на знакомый эксперимент — сдавливание предметов.

«Я провел много лет, изучая геологические и химические процессы, происходящие глубоко в недрах Земли. Учитывая высокие температуры и давления, эксперименты по исследованию некоторых аспектов этой среды должны воспроизводить эти экстремальные условия. Поэтому мы часто прибегаем к ячейке с алмазной наковальней, нагреваемой лазером, чтобы приложить такое давление к образцам и увидеть результат», — сказал Хиросе. «В этом случае мы измельчали железо и гелий вместе под давлением около 5–55 гигапаскалей и при температуре от 1000 до почти 3000 Кельвинов. Эти давления соответствуют давлению, примерно в 50 000–550 000 раз превышающему атмосферное, а более высокие температуры могли расплавить иридий — материал, который часто используется в свечах зажигания автомобильных двигателей из-за его высокой термической стойкости».

Предыдущие исследования показали лишь небольшие следы комбинированного железа и гелия, в районе семи частей на миллион гелия в железе. Но в этом случае они были удивлены, обнаружив, что измельченные соединения железа содержали до 3,3% гелия, что примерно в 5000 раз больше, чем было обнаружено ранее. Хиросе подозревает, что это, по крайней мере, отчасти связано с чем-то новым в этом конкретном наборе экспериментов.

«Гелий имеет тенденцию очень легко улетучиваться при окружающих условиях; каждый видел, как надувной шар увядает и тонет. Поэтому нам нужен был способ избежать этого при проведении измерений», — сказал он. «Хотя мы проводили синтез материалов при высоких температурах, химические измерения проводились при чрезвычайно низких, или криогенных, температурах. Такой способ предотвратил утечку гелия и позволил нам обнаружить гелий в железе».

Это открытие имеет значение для понимания происхождения Земли. Присутствие гелия в ядре предполагает, что молодая Земля, вероятно, захватила часть газа из солнечной туманности из водорода и гелия, которая окружала раннюю солнечную систему. Это также может означать, что часть воды на Земле могла образоваться из водорода, содержащегося в этом древнем газе, что открывает новый взгляд на раннее развитие планеты.