Совместной исследовательской группе впервые удалось измерить скорость звука чистого железа при давлениях, аналогичных внутренним границам ядра Земли.

Это может показаться удивительным, но у нас не так много информации о центре планеты, на которой мы живем. Можно копать на глубине нескольких километров, а вулканы и тектоника плит могут поднимать материал с глубин в несколько сотен километров, но то, что лежит внизу, вплоть до центра Земли, примерно в 6000 км под нашими ногами, не совсем понятно.

Общепризнано, что ядро примерно в 3000 км под нами состоит в основном из железа: море жидкого железа, внешнее ядро, вокруг внутреннего ядра из твердого железа. Лучшая информация, которой мы располагаем, - это отслеживание распространения сейсмических волн от землетрясений по мере их распространения по планете. Это говорит нам о плотности и скорости звука. Но эти значения не совсем согласуются с тем, что люди ожидают от чистого железа; в ядре должно присутствовать что-то еще. Что это за материал и сколько его там может быть, является активной областью исследований, поскольку они имеют значение для понимания нынешних свойств Земли и эволюции Солнечной системы.

Многие исследовательские группы пытаются воссоздать условия центра Земли в своих лабораториях. Но это сложно, поскольку требуется выдерживать материалы под экстремальным давлением, в миллионы атмосфер, и экстремальными температурами, подобными поверхности Солнца, и все это при проведении чувствительных измерений.

В сотрудничестве между Университетом Тохоку, Центром RIKEN SPring-8, Университетом Эхиме и Японским институтом исследований синхротронного излучения впервые удалось измерить скорость звука чистого железа при давлении, аналогичном внутренней границе ядра Земли, 330 ГПа (давление, если поддерживать 33 000 метрических тонн на площади 1 мм × 1 мм).

После многих лет работы исследователи смогли эффективно объединить технологию ячейки с алмазной наковальней — то, что используется для создания высоких давлений, но требует значительных навыков для достижения давлений, сравнимых с земным ядром, — с методом рассеяния рентгеновских лучей, известным как неупругое рассеяние рентгеновских лучей. Этот метод позволяет ученым наблюдать движение атомов в материалах с помощью рентгеновских лучей и является единственным методом точного измерения скорости звука металлов при статическом сжатии в ячейке алмазной наковальни. Это было сделано на ведущей в мире установке RIKEN по неупругому рассеянию рентгеновских лучей - Quantum NanoDynamics Beamline в SPring-8 в префектуре Хего.

Исследователи показали, что скорость звука внутреннего ядра, определенная в результате сейсмологических исследований, на 4±2% ниже скорости сжатия и на 36±17% ниже скорости сдвига, чем у металлического железа.

Объединение нового результата с предыдущей работой предполагает, что ядро Земли может быть обогащено кремнием и серой в соответствии с существующей моделью внешнего ядра с кислородом, поскольку рост внутреннего ядра, возможно, привел к постоянному обогащению кислорода во внешнем ядре.

Подробности исследования группы были опубликованы в журнале Nature Communications 25 ноября 2022 года.