Железо в центре Земли может принимать неожиданную форму

Фото из открытых источников

Четыре года назад группа из двенадцати ученых собралась в диспетчерской Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) в Германии. Тончайший — тоньше человеческого волоса — фрагмент железа поместили между алмазными наковальнями, где его подвергли давлению, характерному для глубоких недр Земли, а затем нагрели до экстремальных температур с помощью рентгеновского лазера.

По словам Себастьена Меркеля, геофизика из Университета Лилля, возглавляющего проект HotCores стоимостью 2,5 миллиона долларов, на мониторах ученых предстала неожиданная картина: кристаллическая решетка железа оказалась кубической. Подобная структура при столь высоких давлениях и температурах была зафиксирована впервые. Меркель признается, что результат показался невероятным: «Это было последнее, чего мы ожидали. Открытие вновь поднимает вопрос, который, как мне казалось, был уже закрыт».

На протяжении десятилетий эксперименты и компьютерное моделирование внутреннего ядра Земли — загадочного мира из твердого железа, расположенного примерно в 5000 километрах под поверхностью планеты, — указывали на то, что атомы железа там образуют гексагональную плотноупакованную структуру. Однако новые данные вызвали серьезный резонанс в узком кругу исследователей внутреннего ядра. Если же структура на самом деле является объемно-центрированной кубической (ОЦК), это может изменить наши представления о теплопроводности, а значит — и о том, когда в геологической истории началось затвердевание внутреннего ядра, а также о том, как тепло и химические элементы высвобождались в расплавленное внешнее ядро. 

Эти процессы влияют на движение вещества во внешнем ядре, которое питает геодинамо — механизм, создающий магнитное поле Земли. «Если структура иная, то и свойства будут другими», — отмечает Шуай Чжан, специалист по физике высоких давлений из Рочестерского университета.

Результаты исследования было сложно опубликовать. В итоге они появились в журнале Physical Review B, после того как несколько авторитетных изданий отказались их публиковать, говорит Меркель. Задержки могут отражать нежелание вновь поднимать вопрос, который многие исследователи считали решенным. Однако, по словам Джона Эггерта, физика-материаловеда из Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора, «данные очень ясны. Я убежден, что они видят ОЦК-структуру».

Эксперименты, пытающиеся воспроизвести экстремальные давления и температуры глубоко внутри Земли, сопряжены с серьезными сложностями. Алмазные наковальни создают давление, характерное для глубинных слоев Земли, но могут вносить примеси, изменяющие структуру железа, в то время как обычные лазерные эксперименты могут нагревать образцы до высоких температур, но только на один исчезающий момент — слишком мало времени для дальнейших измерений.

Объединив рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) с алмазной ячейкой, команда HotCores смогла облучать свои образцы многократными 30-фемтосекундными рентгеновскими импульсами. Рентгеновские лучи действуют как «накачка и зонд», говорит Меркель. Каждый импульс нагревает образец, и рентгеновские лучи рассеиваются от его атомов, создавая снимок их расположения — дифракционную картину.

Сначала снимки показывали ожидаемую гексагональную структуру. Но как только давление и температура поднялись выше 2,3 миллиона атмосфер и примерно 5700 °C, появился четкий кубический сигнал, говорит Меркель. Это открытие не является окончательным. Попытки воспроизвести его в последующих образцах потерпели неудачу, когда алмазная ячейка не смогла достичь того же давления. А неопубликованные эксперименты с использованием традиционных методов лазерного ударного воздействия дали только гексагональное железо.

Тем не менее, Маурицио Маттезини, геофизик из Мадридского университета Комплутенсе, чувствует себя оправданным этим результатом. «Я так долго мучился», — говорит он. Маттезини утверждает, что только кубическое железо может объяснить некоторые особенности, наблюдаемые в сейсмических волнах от землетрясений, проходящих через внутреннее ядро, такие как удивительно низкая скорость. ОЦК-структура, имеющая более рыхлую и менее жесткую форму, чем гексагональное железо, будет препятствовать распространению волн, подобно мягкому песку, замедляющему бегуна. Однако другие исследователи нашли правдоподобные способы замедления сейсмических волн и более плотным гексагональным железом.

В статье, опубликованной в 2021 году Яном Сунем, физиком-минералогом из Сямэньского университета, и его коллегами, было высказано предположение, что железо, затвердевающее во внутреннем ядре, сначала кристаллизуется в кубическую структуру, а затем переходит в свою окончательную — гексагональную — форму. «Фаза, которая образуется первой, не обязательно становится той, что в конечном итоге преобладает», — отмечает Сунь. Эта модель могла бы объяснить, почему команда проекта HotCores зафиксировала наличие кубической (ОЦК) структуры, тогда как в других лазерных экспериментах этого не наблюдалось. В экспериментах HotCores образец нагревается и остывает при каждом лазерном импульсе, что дает время для возникновения переходной кубической фазы. В традиционных же экспериментах с лазерным ударным воздействием образец подвергается лишь однократному интенсивному нагреву.

По словам Салли Джун Трейси, физика-минералога из Института Карнеги, поскольку гексагональная и кубическая фазы могут формироваться в весьма схожих условиях, обе они могут присутствовать во внутреннем ядре Земли. Небольшие изменения в составе ядра — например, присутствие дополнительного количества никеля или других легких элементов — могут сместить равновесие в сторону кубической структуры, поясняет она. Действительно, группа Меркеля уже приступила к исследованию таких сплавов с помощью рентгеновского лазера. Хотя результаты еще не опубликованы, Меркель сообщает, что его команда обнаружила склонность железа, содержащего никель и кремний, к стабилизации именно в кубической форме.

Меркель добавляет, что в открытии кубического железа группой HotCores есть определенная ирония: в самом начале заявки на грант команда прямо утверждала, что железо в ядре имеет гексагональную структуру. Теперь же вопрос о том, что именно находится в центре Земли, снова стал неопределенным. «Что происходит в ядре? — задается вопросом Меркель. — Не знаю».