|
Алмазный слой на границе ядра и мантии Меркурия
|
|
|
|
Недавнее исследование, опубликованное в Nature Communications учеными из Китая и Бельгии, предполагает, что граница между ядром и мантией Меркурия (CMB) включает алмазный слой толщиной до 18 километров, расположенный глубоко в недрах планеты.
|
|
|
|
Меркурий, самая маленькая и внутренняя планета в нашей Солнечной системе, долгое время озадачивал ученых своей удивительно темной поверхностью и высокой плотностью ядра. Предыдущие миссии, такие как космический аппарат НАСА "МЕССЕНДЖЕР", показали, что поверхность Меркурия содержит значительное количество графита, разновидности углерода.
|
|
|
|
Это навело исследователей на мысль, что в ранней истории планеты существовал богатый углеродом магматический океан. Phys.org поговорил с одним из соавторов исследования, доктором Яньхао Лином (Yanhao Lin) из Центра передовых научных исследований высокого давления и технологий в Пекине.
|
|
|
"Много лет назад я заметил, что чрезвычайно высокое содержание углерода в Ртути может иметь серьезные последствия. Это заставило меня понять, что внутри нее, вероятно, происходит что-то особенное", - сказал доктор Лин.
|
|
Что мы знаем о Ртути
|
|
|
|
Наиболее подробная информация о Меркурии получена в ходе миссий НАСА "МЕССЕНДЖЕР" и "Маринер-10".
|
|
|
|
Предыдущие наблюдения, проведенные космическим аппаратом "МЕССЕНДЖЕР", показали, что поверхность Меркурия необычно темная из-за широко распространенного присутствия графита.
|
|
|
|
Считается, что обилие углерода на поверхности связано с древним слоем графита, который рано всплыл на поверхность. Это говорит о том, что когда-то на Меркурии был расплавленный поверхностный слой или океан магмы, содержащий значительное количество углерода.
|
|
|
|
Со временем, когда планета остыла и затвердела, этот углерод образовал на поверхности графитовую корку.
|
|
|
|
Однако исследователи оспаривают предположение о том, что графит был единственной стабильной углеродсодержащей фазой во время кристаллизации магматического океана Меркурия. Это происходит, когда мантия планеты (средний слой) охлаждается и затвердевает.
|
|
|
|
Ранние предположения о графитовой корке основывались на более низких прогнозах температуры и давления в реликтовом излучении. Однако новые исследования показывают, что реликтовое излучение находится глубже, чем считалось ранее, что побудило исследователей пересмотреть оценку графитовой корки.
|
|
|
|
Кроме того, другое исследование также предположило наличие серы в железном ядре Меркурия. Присутствие серы может повлиять на кристаллизацию магматического океана Меркурия, что ставит под сомнение первоначальное утверждение о наличии только графита на этом этапе.
|
|
Воссоздание условий внутри Меркурия
|
|
|
|
Чтобы воссоздать внутренние условия Меркурия, исследователи использовали комбинацию экспериментов с высоким давлением и температурой, а также термодинамическое моделирование.
|
|
|
|
"Мы используем пресс большого объема, чтобы имитировать условия высокой температуры и высокого давления на границе ядра и мантии Меркурия и объединить их с геофизическими моделями и термодинамическими расчетами", - пояснил доктор Лин.
|
|
|
|
В качестве исходного материала они использовали синтетический силикат, чтобы он напоминал состав мантии Меркурия. Это широко используемый метод изучения недр планет.
|
|
|
|
Исследователи достигли уровня давления до 7 Гигапаскалей в год, что примерно в семь раз превышает давление, зафиксированное в самых глубоких частях Марианской впадины.
|
|
|
|
В этих условиях команда исследовала, как минералы (те, что находятся в недрах Меркурия) плавятся и достигают равновесных фаз, и охарактеризовала эти фазы, уделив особое внимание фазам графита и алмаза.
|
|
|
|
Они также проанализировали химический состав экспериментальных образцов.
|
|
|
|
"То, что мы делаем в лаборатории, - это имитируем экстремальные давления и температуры внутри планеты. Иногда это сложная задача; вам нужно настроить приборы в соответствии с вашими потребностями. Экспериментальные установки должны быть очень точными, чтобы имитировать эти условия", - объяснил доктор Лин.
|
|
|
|
Они также использовали геофизическое моделирование для изучения наблюдаемых данных о недрах Меркурия.
|
|
|
|
"Геофизические модели в основном основаны на данных, собранных космическими аппаратами, и они рассказывают нам о фундаментальных структурах недр планеты", - сказал доктор Лин.
|
|
|
|
Они использовали модель для прогнозирования фазовой стабильности, расчета давлений и температур реликтового излучения и моделирования стабильности графита и алмазов при экстремальных температурах и давлениях.
|
|
Алмазы образуются под давлением
|
|
|
|
Объединив экспериментальные данные с геофизическим моделированием, исследователи смогли оценить давление реликтового излучения на Меркурии на уровне около 5,575 ГПа.
|
|
|
|
При содержании серы примерно в 11% исследователи наблюдали значительное изменение температуры в магматическом океане Меркурия на 358 Кельвинов. Исследователи предполагают, что, хотя графит, вероятно, был доминирующей углеродной фазой во время кристаллизации океана магмы, кристаллизация ядра привела к образованию алмазного слоя в реликтовом излучении.
|
|
|
|
"Сера понижает ликвидус магматического океана Меркурия. Если алмаз образуется в магматическом океане, он может опуститься на дно и отложиться в реликтовом излучении. С другой стороны, сера также способствует образованию слоя сульфида железа в реликтовом излучении, что связано с содержанием углерода во время планетарной дифференциации", - пояснил доктор Лин.
|
|
|
|
Планетарная дифференциация относится к процессу, при котором планета приобретает внутреннюю структуру, то есть центр или ядро, в которое опускаются более тяжелые минералы, и поверхность или кору, на которую поднимаются более легкие минералы.
|
|
|
|
Согласно их выводам, алмазный слой в реликтовом излучении имеет приблизительную толщину от 15 до 18 километров. Они также предполагают, что нынешняя температура в реликтовом излучении Меркурия близка к точке, при которой графит может переходить в алмаз, в результате чего температура в реликтовом излучении стабилизируется.
|
|
Экзопланетные системы, богатые углеродом
|
|
|
|
Одно из следствий этих открытий связано с магнитным полем Меркурия, которое является аномально сильным для его размеров.
|
|
|
|
Доктор Лин объяснил: "Углерод из расплавленной сердцевины при охлаждении становится перенасыщенным, образуя алмаз и переходя в реликтовое излучение. Высокая теплопроводность алмаза помогает эффективно передавать тепло от ядра к мантии, вызывая температурную стратификацию и изменение конвекции во внешнем жидком ядре Меркурия и, таким образом, влияя на формирование его магнитного поля".
|
|
|
|
Проще говоря, когда тепло передается от ядра к мантии, оно влияет на температурные градиенты и конвекцию во внешнем жидком ядре Меркурия, что влияет на формирование его магнитного поля.
|
|
|
|
Доктор Лин также указал на решающую роль, которую играет углерод в формировании богатых углеродом экзопланетных систем.
|
|
|
|
"Это также может иметь отношение к пониманию других планет земной группы, особенно тех, которые имеют сходные размеры и состав. Процессы, которые привели к образованию алмазного слоя на Меркурии, возможно, происходили и на других планетах, потенциально оставляя похожие следы", - заключил доктор Лин.
|
|
|
|
Источник
|
