|
Гидрид железа переходит в экзотическое состояние
|
|
|
|
Согласно экспериментальным результатам, полученным исследователями из Science Tokyo, внутреннее ядро Земли, состоящее преимущественно из железа с небольшим содержанием легких элементов, может переходить в суперионное состояние при экстремальных давлениях и температурах. Используя ячейки с алмазными наковальнями, нагреваемыми лазером и электрически соединенными проводами, исследователи выявили экспериментальные признаки суперионного гидрида железа в условиях, характерных для ядра Земли. Эти результаты дают новое понимание состава и динамики глубоких недр Земли.
|
|
|
|
Предполагается, что при экстремальных давлениях и температурах во внутреннем ядре Земли сплавы железа, содержащие легкие элементы, переходят в необычное состояние вещества, известное как суперионное состояние. В этом состоянии атомы железа остаются локализованными вокруг своих узлов кристаллической решетки, в то время как более легкие элементы, такие как водород, кислород и углерод, перемещаются по решетке почти как жидкость.
|
|
|
|
Помимо быстрого движения легких элементов, в геологических науках также важно учитывать возникающее в результате сдвиговое размягчение сплава, поскольку оно может помочь объяснить, почему сейсмические сдвиговые волны распространяются медленнее через внутреннее ядро Земли. Однако до сих пор эта идея подтверждалась в основном моделированием методом молекулярной динамики, без прямых экспериментальных доказательств.
|
|
|
|
|
|
|
Теперь исследователи из Токийского института науки (Science Tokyo), Япония, получили убедительные экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что гранецентрированная кубическая (ГЦК) структура гидрида железа (FeHX), тип сплава железа с легкими элементами, переходит в суперионное состояние в условиях высокого давления и высокой температуры, характерных для внутреннего ядра Земли.
|
|
|
|
Исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, было проведено аспирантами Йошихиро Нагая и Юсуке Оказаки совместно с профессором Кенджи Ота из Департамента наук о Земле и планетах, Science Tokyo.
|
|
|
|
«Поскольку суперионное состояние сплавов железа с легкими элементами существует только в условиях сверхвысокого давления и сверхвысокой температуры, оно никогда ранее не наблюдалось экспериментально. Ожидается, что FeHX будет принимать либо гексагональную плотноупакованную, либо гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру в условиях внутреннего ядра, в зависимости от содержания водорода», — говорит Ота.
|
|
|
|
Исследователи использовали измерения синхротронной рентгеновской дифракции (XRD) с временным разрешением для отслеживания изменений в кристаллической решетке при воздействии на ГЦК FeHX высоких давлений и температур. Они сжимали крошечные образцы внутри алмазной наковальни до давления от 50 до 110 гигапаскалей и нагревали их до более чем 2000 Кельвинов с помощью лазеров. Отслеживая изменения в кристаллической решетке, они рассчитали, как изменялся объем решетки по мере включения водорода в решетку железа.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили характерную лямбда-образную аномалию в коэффициенте теплового расширения материала вблизи 1590 Кельвинов, что является признаком фазовых переходов, наблюдавшихся и в других суперионных материалах. Картируя этот переход при различных давлениях, они определили границу, при которой FeHX переходит из нормального твердого состояния в суперионное. Экстраполяция этой границы на давление внутреннего ядра Земли показала, что прогнозируемая температура перехода значительно ниже расчетной температуры внутреннего ядра, что позволяет предположить, что FeHX может существовать в суперионном состоянии внутри внутреннего ядра Земли.
|
|
Водород движется, но почти незаметно
|
|
|
|
Исследователи также провели измерения рентгеновской дифракции с временным разрешением в условиях высоких температур и давлений, прикладывая постоянное напряжение к образцу, что выявило резкое изменение содержания водорода в FeHX. После быстрого охлаждения образцов до комнатной температуры наблюдалось одноосное перераспределение водорода, что свидетельствует о высокой подвижности водорода в суперионном состоянии.
|
|
|
|
На основе геометрии образца и приложенного постоянного смещения исследователи оценили подвижность водорода в порядка 1 мкм^2Дж^-1с^-1, что соответствует коэффициенту диффузии приблизительно 10^3 мкм^2с^-1.
|
|
|
|
Хотя водород стал гораздо более подвижным при переходе в суперионное состояние, исследователи обнаружили, что его движение в условиях внутреннего ядра Земли останется крайне медленным. Их оценка показала, что миграция водорода, обусловленная геомагнитным полем Земли, приведет к перемещению всего лишь примерно на 0,1 мкм за 10 000 лет. При такой скорости водороду потребуется более чем в 100 раз больше возраста Земли, чтобы преодолеть расстояние, сопоставимое с радиусом внутреннего ядра, составляющим около 1200 км (750 миль). Это говорит о том, что водород, включенный в состав Земли во время её формирования, может оставаться в ней в течение геологических временных масштабов.
|
|
Подсказки для эволюции внутреннего ядра
|
|
|
|
Полученные результаты могут улучшить наше понимание процессов, происходящих в ядре Земли, и уточнить модели формирования и эволюции ядра. «Ожидается, что эти результаты помогут прояснить аномалии скорости сейсмических волн во внутреннем ядре Земли и эволюцию земной коры», — говорит Охта.
|
|
|
|
Источник
|
