|
Экзотическая фаза водорода в ядре Земли
|
|
|
|
Хотя ядро Земли состоит в основном из железа, его плотность предполагает, что в него также примешиваются более легкие элементы. Поскольку водород широко распространен во Вселенной и может смешиваться с железом при определенных условиях, ученые предполагают, что он составляет часть состава легких элементов. Данные землетрясений указывают на то, что внутренняя часть ядра также изменяется с глубиной, но ученые точно не знают, как это происходит. Теперь новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, указывает на то, что водород, вероятно, существует в виде градиента внутри внутреннего и внешнего ядра, возникающего из термодинамического равновесия.
|
|
|
|
Суперионный водород в ядре Земли
|
|
|
|
Водород может растворяться в железе в экстремальных условиях, таких как высокие температуры и высокое давление в ядре Земли. Во внутреннем ядре водород может стать суперионным, что позволяет ему перемещаться через твердую кристаллическую структуру железа почти как жидкость. Это суперионное состояние не ведет себя как обычное твердое тело и может влиять на термодинамические свойства различных фаз. Считается, что внутреннее ядро имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую структуру, но другие элементы могут принимать объемно-центрированную кубическую (ОЦК) фазу при аналогичных условиях.
|
|
|
|
|
|
|
Хотя считается, что водород существует в суперионном состоянии в ГПУ-решетке, неясно, может ли водород также существовать в суперионном состоянии в ОЦК-решетке. Авторы исследования отмечают, что также неясно, как водород может влиять на конкуренцию между ГПУ и ОЦК фазами во внутреннем ядре. Также неясно, как и изменяется ли вообще содержание водорода между жидким внешним ядром и твердым внутренним ядром. Предыдущие попытки моделирования дали противоречивые результаты.
|
|
|
|
Авторы нового исследования пишут: «Происхождение этих расхождений неясно, поскольку в этих симуляциях использовались разные межатомные потенциалы машинного обучения (МЛП) и разные протоколы для вычисления коэффициента распределения. Такие несоответствия препятствуют дальнейшему развитию композиционных моделей для многокомпонентных сплавов железа с легкими элементами в ядре».
|
|
|
|
Радиальный градиент водорода
|
|
|
|
Для лучшего понимания процессов, происходящих в ядре планеты, команда исследователей использовала квантово-механические модели для расчета свободной энергии смесей железа и водорода, а также моделировала твердое, суперионное и жидкое состояния при давлениях и температурах, характерных для внутреннего ядра. Затем они использовали эти результаты для построения фазовых диаграмм и определения концентрации водорода от границы внутреннего ядра до его центра.
|
|
|
|
Модели показали, что концентрация водорода выше вблизи границы между внутренним и внешним ядром Земли и уменьшается по мере приближения к центру планеты. При типичной температуре ядра 5500 К концентрация водорода падает примерно с 16 атомных процентов на границе внутреннего ядра до примерно 9% в центре. Они также обнаружили, что распределение водорода между твердой и жидкой фазами железа определяется главным образом тем, насколько температура близка к точке плавления железа, а не только давлением, что означает, что градиент водорода является прямым результатом равновесной термодинамики.
|
|
|
|
Авторы исследования пишут: «Наши расчеты показывают, что водород может стабилизировать суперионную ОЦК-фазу при достаточно высокой температуре и содержании водорода. Однако это поле стабильности сменяется плавлением, поэтому в системе Fe–H сосуществует только суперионная ГЦК-фаза с жидкой фазой. Диаграммы суперионно-жидкостной фазы при различных давлениях во внутреннем ядре рушатся при масштабировании по температуре плавления железа».
|
|
|
|
Важно отметить, что предложенное соотношение масштабирования согласуется с большинством более ранних результатов моделирования и соответствует имеющимся экспериментам при более низком давлении. Однако в исследовании моделируется только система железо-водород, тогда как ядро Земли почти наверняка содержит несколько легких элементов, включая кислород, кремний, углерод и серу. В будущих исследованиях эти модели можно было бы дополнительно уточнить, включив в них сплавы железа, содержащие водород, наряду с другими вероятными элементами ядра.
|
|
|
|
Источник
|
