Атомы железа, составляющие твердое внутреннее ядро Земли, плотно спрессованы вместе под воздействием астрономически высокого давления — самого высокого на планете. Но даже здесь есть пространство для маневра, обнаружили исследователи. Исследование, проведенное Техасским университетом в Остине и его коллегами в Китае, показало, что определенные группы атомов железа во внутреннем ядре Земли способны быстро перемещаться, меняя свои места за доли секунды, сохраняя при этом основную металлическую структуру железа. тип движения, известный как «коллективное движение», похожий на то, как гости на ужине пересаживаются за стол. Результаты, полученные с помощью лабораторных экспериментов и теоретических моделей, показывают, что атомы во внутреннем ядре движутся гораздо чаще, чем считалось ранее. Результаты могут помочь объяснить многочисленные интригующие свойства внутреннего ядра, которые уже давно беспокоят ученых, а также помочь пролить свет на роль, которую внутреннее ядро играет в питании геодинамо Земли — неуловимого процесса, который генерирует магнитное поле планеты. «Теперь мы знаем о фундаментальном механизме, который поможет нам понять динамические процессы и эволюцию внутреннего ядра Земли», — сказал Юнг-Фу Лин, профессор Школы геонаук Джексона при Университете Техаса и один из ведущих авторов исследования.
Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Учёные не могут напрямую взять пробу внутреннего ядра Земли из-за чрезвычайно высоких температур и давлений. Итак, Лин и его коллеги воссоздали его в миниатюре в лаборатории, взяв небольшую железную пластину и выстрелив в нее быстро движущимся снарядом. Данные о температуре, давлении и скорости, собранные в ходе эксперимента, затем были введены в компьютерную модель атомов во внутреннем ядре с машинным обучением. Ученые полагают, что атомы железа во внутреннем ядре расположены в повторяющейся шестиугольной конфигурации. По словам Лина, большинство компьютерных моделей, изображающих динамику решетки железа во внутреннем ядре, показывают лишь небольшое количество атомов — обычно менее сотни. Но, используя алгоритм искусственного интеллекта, исследователи смогли значительно расширить атомную среду, создав «суперячейку» примерно из 30 000 атомов для более надежного прогнозирования свойств железа.
В этом масштабе суперячейки ученые наблюдали, как группы атомов движутся, меняя места, сохраняя при этом общую гексагональную структуру. Исследователи заявили, что движение атомов может объяснить, почему сейсмические измерения внутреннего ядра показывают, что среда гораздо более мягкая и податливая, чем можно было бы ожидать при таком давлении, сказал соавтор Юджун Чжан, профессор Сычуаньского университета. «Сейсмологи обнаружили, что центр Земли, называемый внутренним ядром, удивительно мягок, примерно так же, как мягкое масло на вашей кухне», — сказал он. «Большое открытие, которое мы обнаружили, заключается в том, что твердое железо становится удивительно мягким глубоко внутри Земли, потому что его атомы могут двигаться гораздо больше, чем мы когда-либо могли себе представить. Это увеличенное движение делает внутреннее ядро менее жестким и более слабым по отношению к силам сдвига».
Исследователи заявили, что поиск ответа на объяснение «удивительно мягких» физических свойств, отраженных в сейсмических данных, является мотивацией их исследования. По мнению исследователей, около половины энергии геодинамо, генерирующей магнитное поле Земли, можно отнести к внутреннему ядру, а остальную часть составляет внешнее ядро. Новое понимание активности внутреннего ядра на атомном уровне может помочь в будущих исследованиях того, как энергия и тепло генерируются во внутреннем ядре, как это связано с динамикой внешнего ядра и как они работают вместе, создавая магнитное поле планеты. это ключевой ингредиент для обитаемой планеты.
