Глубоко под поверхностью Земли находится внешнее ядро, состоящее из слоя жидкого железного сплава толщиной 2000 км. Несмотря на то, что оно расположено на глубине 3000 км от поверхности, оно все еще влияет на обитаемость нашей поверхности, поскольку именно в этом регионе генерируется магнитное поле Земли.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature, группа ученых, включая Санг-Хеон Дан Шим и Сую Фу из Университета штата Аризона, завершила экспериментальное наблюдение за образованием богатых кремнием кристаллов в жидкости из железо-водородного сплава при высоком давлении и высокой температуре, характерных для внешнего ядра Земли.
 

Кристаллы содержат достаточно кремния, чтобы быть легче жидкости, и поэтому кристаллы будут подниматься в жидком железном металле.

Для этого эксперимента ведущий автор Фу, бывший постдок АГУ, ныне работающий в Токийском университете в качестве постдокторского стипендиата Японского общества содействия развитию науки и шим, из Школы Земли и освоения космоса АГУ и профессор Навроцкого, вместе со Стеллой Харитон и Виталием Пракапенкой из Чикагского университета сосредоточили свои лабораторные наблюдения на предсказании того, что богатые кремнием кристаллы могут выпасть снегом во внешнем ядре, но вместо того, чтобы опускаться, они будут подниматься.

"Кристаллизация сплава, богатого кремнием, была обнаружена в ходе наших экспериментов в снежные зимние дни в Чикаго во время пандемии", - сказал Шим. "Интересно, что такое поведение кристаллизации может привести к поднятию богатого кремнием снега во внешнем ядре".

Для этого эксперимента сплав железа и кремния загрузили в водородно-аргоновую газовую смесь в АГУ. Затем образцы были сжаты до давления, ожидаемого для ядра, в алмазно-анвиловой камере. Во время нахождения под высоким давлением образец нагревается лазерными лучами до температур, ожидаемых для ядра в Advanced Photon Source, пользовательском центре Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории, где исследователи могут наблюдать за кристаллизацией в алмазно-анвиловой ячейке с помощью чрезвычайно ярких рентгеновских лучей.

"Создание достаточно высоких температур для плавления железных сплавов в водороде при высоком давлении было очень трудной задачей", - говорит Шим. "Причина в том, что водород может диффундировать в алмазные наковальни, сломать их и провалить эксперименты".

Для этого эксперимента, добавил Шим, "наша команда разработала новый метод, при котором водород смешивается с аргоном в алмазных наковальнях. Аргон не вступает в реакцию с образцом, но подавляет диффузию водорода в алмазные наковальни, что позволяет нам достичь экстремальных условий в лаборатории".

Это явление может сделать богатые кремнием снежные кучи на границе между металлическим ядром и каменистой мантией, где многие загадочные мелкомасштабные структуры были обнаружены при сейсмической съемке в течение десятилетий.

"Если кремний и водород являются двумя основными легкими элементами во внешнем ядре с соответствующим изобилием, может возникнуть такой поднимающийся богатый кремнием снег", - сказал Фу.

Действительно, среди этих структур зоны жесткости ядра (толщиной в несколько сотен метров с твердыми свойствами, подобными свойствам жидкого железного металла во внешнем ядре), обнаруженные на стороне ядра на границе ядро-мантия, могут быть кучами богатого кремнием снега.

Если конвектирующий мантийный поток может захватить некоторые из этих поднимающихся кристаллических снегов с высоким содержанием кремния, они могут появиться в виде мелкомасштабной структуры с очень низкой сейсмической скоростью в самой нижней мантии, что может объяснить зоны сверхнизких скоростей, зафиксированные в сейсмических исследованиях в течение десятилетий в этом регионе.

Фу сказал: "Наше исследование также предсказывает, что богатый кремнием снег начинается в области внешнего ядра и может развиваться на большую глубину по мере дальнейшего секулярного охлаждения Земли".