Где-то там, под шестью тысячами километров раскалённой породы, плавится и не плавится одновременно нечто, что наука до недавнего времени считала невозможным. Учебники физики, по которым нас учили в школе, снова можно отправлять на переработку — впрочем, это уже традиция.
В сентябре 2025 года группа китайских и американских учёных опубликовала исследование, которое переворачивает наши представления о том, что творится в самом сердце планеты. Оказывается, внутреннее ядро Земли — это не просто раскалённый железный шар, застывший под чудовищным давлением. Это суперионная материя — экзотическое состояние вещества, где одни атомы образуют твёрдую кристаллическую решётку, а другие свободно плавают сквозь неё, словно рыбы в аквариуме. Твёрдое и жидкое одновременно. Физика, которая плюёт на бинарную логику.
И знаете что? Это объясняет загадку, над которой геофизики ломали головы десятилетиями.
Что мы думали, что знаем
Со школьной скамьи нам вдалбливали простую картинку: Земля — это такая матрёшка. Снаружи тонкая корочка, на которой мы копошимся. Под ней — вязкая мантия, медленно ворочающаяся, как каша в котле. Ещё глубже — жидкое внешнее ядро из расплавленного железа, генерирующее магнитное поле планеты. А в самом центре — твёрдый железный шар внутреннего ядра, спрессованный давлением в 360 гигапаскалей до состояния абсолютной монолитности.
Красивая схема. Понятная. Идеально ложится в параграф учебника. Есть только одна проблема: она не работает.
Сейсмологи давно заметили, что внутреннее ядро ведёт себя странно. Поперечные волны — те самые колебания, которые могут распространяться только в твёрдых телах — проходят через него подозрительно медленно. Скорость составляет всего 3,4–3,6 километра в секунду, что на 30% меньше, чем предсказывают расчёты для чистого железа при таких условиях. Как будто ядро одновременно твёрдое (иначе поперечные волны вообще бы не прошли) и какое-то... рыхлое.
А потом учёные посчитали коэффициент Пуассона — характеристику, показывающую, насколько материал «резиновый». У стали он около 0,30. У резины — 0,49. У внутреннего ядра Земли — 0,44–0,45. То есть сердце нашей планеты по механическим свойствам ближе к резиновому мячику, чем к железной болванке.
Это, мягко говоря, не укладывалось в голову.
Парадокс мягкого железа
Десятилетиями геофизики пытались объяснить эту аномалию, не выходя за рамки привычных моделей. Может, там не чистое железо, а какой-то особый сплав? Может, кристаллическая структура другая? Может, мы просто неправильно интерпретируем сейсмические данные?
Одна из популярных гипотез предполагала, что ядро состоит из железа с объёмноцентрированной кубической решёткой (ОЦК) вместо гексагональной плотноупакованной (ГПУ). Расчёты показывали, что ОЦК-железо при высоких температурах становится мягче за счёт самодиффузии атомов. Звучало логично, но экспериментально подтвердить это никак не удавалось. Более того, последние исследования с рентгеновской дифракцией упорно показывали, что железо сохраняет ГПУ-структуру вплоть до точки плавления.
Другая идея связывала мягкость ядра с присутствием карбида железа Fe₇C₃ — соединения, которое действительно демонстрирует высокий коэффициент Пуассона. Но и тут засада: Fe₇C₃ не может объяснить наблюдаемый дефицит плотности ядра. Числа просто не сходились.
Учёные оказались в тупике. Ядро Земли словно издевалось над ними, отказываясь вписываться в существующие физические модели. Твёрдое — но мягкое. Кристаллическое — но текучее. Железное — но не совсем.
А потом пришли ребята из Сычуаньского университета с газовыми пушками и суперкомпьютерами.
Когда железо стреляют из пушки
Группа под руководством Юцзюнь Чжана решила проверить, что происходит с железом, когда в него добавляют углерод, а потом подвергают условиям, близким к ядру Земли. Для этого они синтезировали образцы сплава Fe-1,5% C — железо с полутора процентами углерода, растворённого в кристаллической решётке.
А дальше начинается самое интересное. Образцы разогнали до скорости 7 километров в секунду (это, на минуточку, в двадцать раз быстрее пули) и врезали в мишень из фторида лития. При ударе возникает ударная волна, которая сжимает материал до 140 гигапаскалей и разогревает до 2600 кельвинов. Это примерно половина давления в центре Земли, но уже достаточно, чтобы увидеть кое-что удивительное.
Измеряя скорость распространения волн в сжатом образце с точностью до наносекунд, учёные обнаружили аномалию. До давления примерно в 107 ГПа сплав вёл себя предсказуемо: продольные волны (Vp) и поперечные волны (Vs) росли линейно с давлением. А потом Vs внезапно рухнула. При 140 ГПа скорость поперечных волн упала на 23% по сравнению с чистым железом. Коэффициент Пуассона подскочил до 0,43.
Железо-углеродный сплав стал мягким. Не расплавился — температура была ниже точки плавления. Но стал мягким.
Добро пожаловать в суперионный мир
Параллельно с экспериментами команда запустила молекулярно-динамическое моделирование — компьютерную симуляцию, которая рассчитывает движение каждого атома по законам квантовой механики. И вот тут картинка сложилась.
При температурах ниже примерно 0,68 от точки плавления (около 2000 К при данном давлении) атомы углерода сидят на своих местах в междоузлиях кристаллической решётки железа. Они колеблются, но никуда не уходят. Классический твёрдый раствор, всё по учебнику.
Но стоит перешагнуть этот температурный порог — и начинается магия. Атомы железа по-прежнему сохраняют свои позиции, удерживаемые мощными металлическими связями. А вот углерод срывается с цепи. Он начинает свободно диффундировать сквозь решётку, перепрыгивая из одного междоузлия в другое, проплывая вдоль кристаллографических осей, как призрак сквозь стены.
Это и есть суперионное состояние. Решётка остаётся твёрдой — поэтому поперечные волны проходят. Но часть атомов ведёт себя как жидкость — поэтому материал становится аномально мягким. Два агрегатных состояния в одном флаконе.
Коэффициент диффузии углерода при 2500 К и 140 ГПа составил 0,4 × 10⁻⁸ м²/с. Для сравнения: в обычных твёрдых телах при комнатной температуре диффузия на десять-двенадцать порядков медленнее. Углерод в суперионном железе движется почти как в жидкости.
Углерод — ключ к сердцу планеты
Почему именно углерод? Во-первых, его много в исходном материале, из которого формировалась Земля. Углистые хондриты — древнейшие метеориты, считающиеся строительными блоками планет — содержат до нескольких процентов углерода. Во-вторых, углерод обладает высоким сродством к железу: он охотно растворяется в нём, занимая междоузельные позиции в кристаллической решётке.
И в-третьих — что критически важно — углерод лёгкий. Его атомы при одинаковой тепловой энергии движутся быстрее, чем тяжёлые атомы железа. Именно поэтому он первым «расплавляется» внутри твёрдой решётки, пока железо ещё держит форму.
Исследователи проверили, что суперионное поведение сохраняется при концентрациях углерода от 0,6 до 1,9 весовых процентов. Это укладывается в оценки содержания углерода во внутреннем ядре, полученные из анализа плотности.
Но углерод — не единственный кандидат. Теоретические расчёты предсказывают аналогичное суперионное поведение для водорода и кислорода в железе. Однако экспериментально проверить это гораздо сложнее: оба элемента крайне плохо растворяются в твёрдом железе и не сохраняются при нормальных условиях. Углерод оказался идеальной модельной системой.
Что это меняет
Итак, внутреннее ядро Земли — не монолитный железный шар. Это суперионный сплав, где лёгкие элементы свободно текут сквозь кристаллический каркас тяжёлого металла. И это объясняет практически всё.
Низкая скорость поперечных волн? Жидкоподобные атомы углерода ослабляют сопротивление сдвигу. Высокий коэффициент Пуассона? Та же причина — материал деформируется легче, чем положено твёрдому телу. Сейсмическая анизотропия ядра? Атомы диффундируют вдоль определённых кристаллографических направлений, создавая предпочтительную ориентацию.
Но последствия идут дальше чистой сейсмологии. Геодинамо — механизм, генерирующий магнитное поле Земли — работает за счёт конвекции в жидком внешнем ядре. Считалось, что твёрдое внутреннее ядро в этом процессе участвует пассивно. Но если атомы там свободно мигрируют, возникает возможность химической конвекции без плавления. Лёгкие элементы могут перераспределяться, создавая потоки вещества и дополнительный источник энергии для геодинамо.
Более того, суперионный сплав обладает как электронной, так и ионной проводимостью. Это означает, что электромагнитные свойства внутреннего ядра могут существенно отличаться от того, что мы предполагали.
Когда реальность сложнее моделей
Есть что-то поэтическое в том, как наука снова и снова упирается в границы собственных категорий. Твёрдое или жидкое? Да. Оба. Ни то, ни другое. Природе плевать на наши классификации.
Мы привыкли мыслить бинарно. Вода либо лёд, либо нет. Металл либо проводит ток, либо не проводит. Ядро планеты либо твёрдое, либо расплавленное. А потом выясняется, что существует целый спектр промежуточных состояний, о которых мы просто не задумывались, потому что не могли их воспроизвести в лаборатории.
Суперионное состояние было теоретически предсказано ещё несколько лет назад. Но одно дело — формулы на бумаге, и совсем другое — ударить железо из пушки и увидеть, как оно превращается во что-то невозможное.
Шесть тысяч километров под нашими ногами существует материя, которую мы только начинаем понимать. Не твёрдая. Не жидкая. Суперионная — состояние, где порядок и хаос сосуществуют в одном кристалле.
И если вы думаете, что это касается только геофизики — подумайте ещё раз. Суперионные состояния предсказаны в ледяных гигантах вроде Урана и Нептуна, в экзопланетах, в будущих материалах для батарей и топливных элементов. То, что происходит в центре Земли, может однажды питать ваш электромобиль.
Заключение
Внутреннее ядро Земли — это не просто горячий железный шар. Это суперионный сплав, где твёрдое и жидкое переплетаются на атомарном уровне, создавая материю с уникальными свойствами. Исследование 2025 года впервые экспериментально подтвердило существование этого состояния в условиях, близких к земному ядру, объяснив многолетние загадки сейсмологии.
Мы живём на планете с резиновым сердцем, где атомы углерода плавают сквозь кристаллы железа, как призраки сквозь стены. И это не фантастика — это физика.
Учебники, как обычно, придётся переписывать. Но, честно говоря, именно за это мы и любим науку.