Железное ядро в центре нашей планеты не только создает магнитное поле, защищающее атмосферу и океаны от солнечной радиации, но и влияет на тектонику плит земной коры, которая постоянно меняет облик континентов. Несмотря на исключительную важность для жизни планеты, многие фундаментальные свойства ядра до сих пор неизвестны науке.
Температура внутреннего ядра Земли составляет примерно 5000 кельвинов (4727°C). Когда-то оно было жидким, но со временем остыло и начало затвердевать, расширяясь наружу. При остывании оно выделяет тепло в вышележащую мантию, приводя в движение потоки, провоцирующие тектонические сдвиги плит.
Традиционно ученые изучали состав ядра Земли двумя способами: через изучение метеоритов и сейсмологию. Метеориты, которые считаются фрагментами несформировавшихся планет или ядер разрушенных землеподобных планет, показывают, что ядро должно состоять из железа и никеля с возможной примесью кремния или серы. Сейсмология дает более точные данные: звуковые волны от землетрясений ускоряются или замедляются в зависимости от материалов, через которые проходят.
Тем не менее, этот метод тоже несовершенен. Сейсмические данные показывают, что ядро Земли примерно на 10% менее плотное, чем чистое железо, причем жидкое внешнее ядро плотнее твердого внутреннего. Однако вопрос о его реальном составе оставался открытым: разные комбинации элементов, которые ученые применяли в симуляциях давали слишком широкий диапазон температур отвердевания.
В новом исследовании ученые использовали минеральную физику для изучения того, как ядро могло начать замерзать. Они обнаружили, что для начала кристаллизации жидкое ядро должно было переохладиться — охладиться ниже температуры плавления. Максимальное переохлаждение ядра могло составлять около 420 ниже температуры плавления. Большее переохлаждение привело бы к тому, что внутреннее ядро было бы больше, чем показывают сейсмологические данные.
Теперь ученые подошли к задаче иначе: они смоделировали процесс сверхохлаждения — ситуацию, когда жидкий металл охлаждается ниже точки плавления и начинает кристаллизоваться. Если бы ядро Земли состояло из чистого железа, оно бы уже полностью застыло, чего в реальности не наблюдается. Но расчеты показали, что добавление углерода резко меняет картину. При содержании углерода около 2,4% для начала кристаллизации достаточно сверхохлаждения примерно на 420 , что согласуется с текущим размером внутреннего ядра, который определили в своих расчетах сейсмологи.
При этом ядро Земли не может состоять только из железа и углерода — его сейсмические свойства требуют наличия как минимум еще одного элемента. Ученые предполагают, что оно, вероятно, содержит немного кислорода и, возможно, кремния. Тем не менее, уже то, что стало известно ученым, является огромным шагом вперед в изучении нашей собственной планеты.
Тем временем ученые зафиксировали возле ядра Земли таинственный сдвиг.