Внутреннее ядро Земли может быть наполнено экстремальным количеством водорода

Фото из открытых источников

Земля подобна каменистой матрешке с расплавленным центром — или, возможно, гниющей луковице с мягким сердцевиной, хотя последняя аналогия отводит нашей величественной планете гораздо меньше достоинства.

Хотя лишь несколько десятков человек побывали на самых глубоких океанских глубинах или на поверхности Луны, существует одна относительно близлежащая инопланетная среда, которую ни один человек никогда лично не исследует: ядро Земли.

При приближении к Земле каждый слой отличается по составу, а также увеличивается давление и температура, демонстрируя уникальные материальные свойства, которые становятся все более неясными по мере углубления.

В недавнем исследовании ученые изучили наиболее поразительный из этих материалов: суперионный водород — потустороннюю версию водорода, которая течет как жидкость, проводит электричество и встречается только в самых экстремальных условиях. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Они обнаружили, что этот суперионный водород может быть в большом количестве в ядре нашей планеты, хотя он не встречается больше нигде на Земле.

Чтобы лучше понять эту эзотерическую элементарную форму, включая термодинамику ее существования и общее распределение водорода в ядре, исследователи смоделировали три ее типа.

Это включало два типа суперионных железо-водородных сплавов, в которых водород протекает через кристаллические решетки железа, расположенные по-разному.

Первый тип — это гексагональная плотноупакованная (ГПУ) структура.  Вторая суперионная форма железа и водорода известна как объемно-центрированная кубическая (ОЦК) решетка.

Но какая форма преобладает в адски раскаленных, сокрушительных пределах нашего хаотичного ядра? Возможно, ни одна из них, и ядро представляет собой беспорядочную, расплавленную смесь, в которой свободно текут железо и водород.

Исследователи подсчитали, что фаза ОЦК суперионного водорода имеет более высокую свободную энергию, или больше доступной энергии для выполнения физически определяемой работы, и, следовательно, менее стабильна и более реактивна, чем фаза ГЦК.

Напротив, гексагональная плотноупакованная (ГПУ) фаза суперионного водорода, по-видимому, обладает большей термодинамической стабильностью.

Моделирование предполагает, что сдвиг в стабильности происходит по мере усиления экстремальных условий. Гипотетически, фаза ОЦК может стать более стабильной, чем фаза ГЦК, когда температура превысит 6100 градусов Цельсия, а содержание водорода превысит 20% при давлении 3,6 миллиона атмосфер – действительно экстремальные условия.

Возможно, это слишком экстремально, поскольку преобладание ОЦК-кристаллической структуры может быть практически невозможно, так как интенсивные условия могут просто расплавить её, превратив в магматическую железистую кашицу.

В результате исследователи пришли к выводу, что структура ГЦК (гексагональная плотноупакованная структура) с большей вероятностью проникает во внутреннее ядро Земли.

«Наши расчеты показывают, что водород может стабилизировать суперионную ОЦК-фазу при достаточно высокой температуре и содержании водорода», — говорят исследователи. «Однако это поле стабильности сменяется плавлением, поэтому в системе Fe–H с жидкостью сосуществует только суперионная ГЦК-фаза».

С точки зрения общего содержания водорода, во внутреннем ядре, по-видимому, существует радиальный градиент концентрации, при этом содержание водорода резко падает при пересечении границы с внешним ядром Земли и движении к центру внутреннего ядра.

Этот радиальный градиент водорода может направлять суперионный водород к границе внутреннего ядра, где он теряет свой суперионный статус и перераспределяется в жидкую смесь, обогащая внешнее ядро.

Этот результат предполагает, что обмен водородом между внутренним и внешним ядром не ограничивается прямым разделением, которое происходит по мере кристаллизации внутреннего ядра.

Обмен также происходит за счет непрерывного перераспределения суперионного водорода, при этом внутреннее ядро продолжает расти со скоростью 1 миллиметр в год.

«Оба процесса могут способствовать химической плавучести, которая, как считается, является важным источником энергии, приводящим в действие геодинамо», — заявляют исследователи.

Для дальнейшего выяснения загадочных флуктуаций плотности и различий в составе материалов во внутреннем ядре и на его границе потребуется учесть другие легкие элементы, такие как кислород и углерод, которые предпочитают находиться в жидкой среде.

Однако в целом, похоже, что распределение различных типов водорода в ядре контролируется в первую очередь температурой, а не давлением.

«Таким образом, наши результаты демонстрируют, что неравномерное распределение суперионного водорода во внутреннем ядре является прямым следствием равновесной термодинамики», — заключают исследователи. «Этот механизм может также применяться к распределению других легких элементов, влияя на состав, динамику и эволюцию ядра».