Вчені встановили, що вуглець дозволив ядру Землі затверділи. Без нього внутрішнє ядро може не існувати.
Команда вчених з Оксфордський університетУніверситет Лідса та Університетський коледж Лондон розкрили нові докази про хімію ядра Землі, визначивши, як воно зможе кристалізувати мільйони років тому. Їхні висновки нещодавно були опубліковані в Природні комунікації.
Дослідження показало, що ядро Землі повинно містити близько 3,8% вуглецю для початку кристалізації. Це говорить про те, що вуглець може бути більш рясним в основі, ніж вважали раніше, і що він відігравав важливу роль у забезпеченні процесу заморожування, пропонуючи рідкісний погляд на приховану динаміку глибоко в планеті.
У центрі планети лежить внутрішнє ядро, щільна тверда маса, багата залізом, яка продовжує рости, коли навколишнє розплавлене зовнішнє ядро поступово охолоджується і твердне. Як саме цей процес розпочався, однак, був предметом давніх наукових дебатів.
Виклик переохолодження
Формування внутрішнього ядра – це не просто питання ядра, що досягає температури замерзання. Натомість кристалізація сильно залежить від її хімічного складу. Розплавлене залізо, як краплі води в хмарах, повинно зазнавати переохолодження (охолодження нижче нормальної температури плавлення), перш ніж може відбутися затвердіння.
Раніші моделі підрахували, що для чистого залізного ядра потрібно від 800 до 1000 ° C надходження.
Якби ядро Землі охолола настільки багато, моделі вказують на те, що внутрішнє ядро виріс би до нереалістичного розміру, а магнітне поле планети обвалиться. Жоден результат не відповідає історії Землі, тому вчені запропонували, що максимум, основне охолоне лише на 250 ° C нижче його плавлення.
Моделювання глибокої землі
Це нове дослідження мало на меті зрозуміти, як існує внутрішнє ядро, як це спостерігається сьогодні, з таким обмеженим переохолодженням у минулому. Без прямого доступу до глибокого інтер’єру Землі дослідницькій групі потрібно було покладатися на комп’ютерні моделювання процесу заморожування.
Вони розглядали наявність інших елементів, зокрема кремнію, сірки, кисню та вуглецю, і як це може вплинути на процес замерзання.
“Кожен з цих елементів існує у верхній мантії і, таким чином, міг бути розпущений в серцевину під час історії Землі”,-пояснив співавтор доцент Ендрю Уокер (кафедра наук про Землю, Оксфордський університет). “Як результат, вони можуть пояснити, чому ми маємо тверде внутрішнє ядро з відносно невеликим переохолодженням на цій глибині. Наявність одного або декількох цих елементів також може раціоналізувати, чому ядро менш щільне, ніж чисте залізо, ключове спостереження від сейсмології”.
Тестування елементів у моделюванні
Використовуючи атомно-масштабне комп’ютерне моделювання близько 100 000 атомів при переохолодженні температури та тиску, еквівалентних тим, хто у внутрішньому ядрі, дослідницька група відстежувала, як часто невеликі кристаліподібні скупчення атомів, що утворюються з рідини. Ці події «зародження» – це перші кроки до заморожування.
Те, що вони знайшли, було дивно: кремнію та сірка, елементи, які часто вважають, що вони присутні в основі, фактично уповільнюють процес замерзання. Іншими словами, для початку формування внутрішнього ядра знадобиться більше переохолодження, якби ці елементи були рясними в цій частині землі.
З іншого боку, вони виявили, що вуглець допоміг прискорити заморожування в моделюванні.
Вуглець як ключовий фактор
У дослідженні дослідники перевірили, скільки переохолодження потрібно буде заморозити внутрішнє ядро, якби 2,4% маси ядра було зроблено з вуглецю. Результат: близько 420 °C, все ще занадто високий, але найближчий результат до життєздатності досі.
Але коли вони екстраполювали свої результати на випадок, коли 3,8% маси ядра становить вуглець, необхідне переохолодження знизилося до 266 °C. Це єдиний відомий склад, який міг би пояснити як зародження, так і спостережуваний розмір внутрішнього ядра.
Цей результат вказує на те, що вуглець може бути більш рясним у ядрі Землі, ніж вважалося раніше, і що без цього елемента утворення твердого внутрішнього ядра, можливо, ніколи не сталося.
Замерзання без насіння зародження
Експерименти також показують, що внутрішнє заморожування ядра було можливим лише з правильною хімією, і на відміну від води, коли вона утворює град, він зробив це без “насіння зародження”, крихітних частинок, які допомагають ініціювати замерзання. Це життєво важливо, оскільки при тестуванні в попередніх моделюваннях усі кандидати на насіння зародження в ядрі розплавлялися або розчинялися.
Провідний автор доктор Альфред Вілсон (Школа Землі та навколишнього середовища, Лідський університет) сказав: “Захоплююче бачити, як атомні масштаби контролюють основну структуру та динаміку нашої планети. Вивчаючи, як утворюється внутрішнє ядро Землі, ми не лише дізнаємось про минуле нашої планети. Ми отримуємо рідкісне огляд у хімію в регіоні.
Вчені обговорювали, коли внутрішнє ядро почало затвердіти десятиліттями, а деякі сперечаються з давнім внутрішнім ядром (а заморожування починається більше двох мільярдів років тому), а інші припускають набагато молодший вік (менше півмільярда років). З цією новою інформацією про вміст вуглецю в ядрі, ми на крок ближче до обмеження її хімії та фізичних властивостей, а отже, як вона розвивалася.
Довідка: «Обмеження основної композиції Землі від внутрішнього ядра зародження» Альфреда Дж. Вілсона, Крістофера Дж. Девіса, Ендрю М. Уокера та Даріо Альфе, 4 вересня 2025 року, Природні комунікації.
Doi: 10.1038/S41467-025-62841-4
Робота фінансувалася Радою з досліджень природного навколишнього середовища (NERC).
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
Слідкуйте за нами в Google, Discover та News.
