Группа исследователей из Франции смогла совершить "путешествие" в центр Земли и узнать, какова там температура. Ученые определили, что на границе твердого и жидкого слоев земного ядра она составляет где-то шесть тысяч градусов. Так была исправлена ошибка, которую совершили их немецкие коллеги, проводившие подобное исследование 20 лет назад.
Следует заметить, что первая попытка измерить температуру центра земного ядра была предпринята еще 20 лет назад. Хотя, конечно же, слово "измерить" в данном контексте звучит несколько странно — ведь измерение предполагает получение данных прямым путем. В данном случае для этого нужно было бы каким-то образом поместить в центр ядра термометр или термодатчик, чего, как вы сами понимаете, сделать невозможно. Однако там, где нельзя действовать прямо, можно отыскать "обходной" путь.
В самом деле, ведь если мы знаем, что ядро нашей планеты состоит в основном из железа и близких ему металлов, причем этот "шарик" находится под давлением свыше 1,3 миллиона атмосфер (и это только на периферии). А в центре, где оно еще выше, железо вновь становится твердым. О наличии двух слоев ядра ученые узнали проанализировав прохождение вызванных крупными землетрясениями сейсмических волн, проходящих сквозь Землю — однако эти волны ничего о температуре данных слоев сказать не могут. Однако если мы знаем, под каким давлением находится железо в каждой из оболочек ядра, то легко узнать и какая там температура.
И вот в в 1993 году Райнхард Белер из Химического института Общества имени Макса Планка (ФРГ) и его коллеги провели одно любопытное исследование. В специально оборудованной лаборатории они стали плавить железо при высоких давлениях (создаваемых при помощи алмазного пресса) и температурах (их обеспечивал лазерный луч). В итоге ученые установили, что при увеличении давления железо перестает быть жидкостью где-то в температурном интервале в 4 800 — 5 000 °C. В итоге решили, что именно такая температура и имеет место быть в самом центре Земли.
Однако большинство геофизиков сразу же выразило сомнение в достоверности результатов. Дело в том, что еще при температуре в 4 500 °C и соответствующем давлении железо продолжало оставаться жидким. То есть температурная разница между двумя слоями ядра составляла всего 300 — 500°C. Но согласно расчетам и данным по измерению геомагнитного поля нашей планеты, она должна быть не меньше, чем тысяча градусов — ведь только перепад температур между этими слоями, считающийся главным фактором крупномасштабных термических перемещений, и может создавать вместе с вращением Земли что-то вроде динамо-машины, порождающей магнитное поле планеты.
И вот недавно группа исследователей из Комиссариата ядерной энергетики Франции и европейского ускорительного комплекса ESRF в Гренобле решили проверить выводы своих коллег. Специально для этого они разработали новую технологию, основанную на интенсивном рентгеновском излучении, которое создает синхротрон. Интересно, что дифракция данного излучения позволяет определить, является ли исследуемый образец твердым, жидким или частично расплавленным всего за одну секунду. И этого времени вполне достаточно для того, что бы удержать температуру и давление на постоянном уровне, а также предотвратить протекание нежелательных для исследования химических реакций, то есть получить наиболее достоверный результат.
После этого ученые стали действовать теми же методами, что и их немецкие коллеги. Они также довели температуру плавления железа до 4 800°C (при давлении в 2,2 миллиона атмосфер) и поняли, что при таких условиях железо все-таки не твердеет, а остается частично расплавленным. После они экстраполировали данные для того, чтобы выяснить температуру при давлении 3,3 млн атмосфер (именно такое чудовищное давлении и характерно для границы между жидким и твердым слоем ядра). В результате было установлено, что значение температуры должно составлять 6 000 ± 500°C. Таким образом перепад температуры между жидким и твердым ядром приблизился к той самой тысяче градусов, о которой и говорили геофизики.
Кроме того, ученые выяснили, почему их коллеги из Германии совершили ошибку. Они определяли структуру железа при помощи оптических методов (то есть смотрели на него через микроскоп). Но дело в том, что начиная с 2 400°C на поверхности образца начинается рекристаллизация, что приводит к динамическим изменениям кристаллической структуры железа. Таким образом материал мог показаться снаружи твердым, хотя внутри он продолжал оставаться жидким. Это-то и ввело в заблуждение специалистов из группы профессора Белер.
Таким образом исследование специалистов из Франции, в результате которого "отыскалась" та самая необходимая тысяча градусов, подтвердило справедливость основных геофизических моделей. Кроме того, была опробована интересная методика определения структуры металлов при экстремальных значениях температуры и давления. Нет никакого сомнения в том, что она будет востребована теми, кто занимается разработкой металлических конструкций для космических кораблей или аппаратов, работающих там, где "тяжко и жарко" — например, в жерлах подводных вулканов…
Антон Евсеев
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
