Оказывается, ядро Земли не содержит кислорода

Состав ядра Земли уже многие годы остается тайной

Выяснить даже приблизительный состав очень сложно. Его оценивают исходя из геохимии и на основе исследований истории формирования планет в Солнечной системе. Ученые знают, что жидкое ядро состоит, главным образом, из железисто-никелевого сплава, но считается, что небольшие количества некоторых других элементов также присутствуют в составе ядра.

Кислород - это самый широко распространенный элемент на планете, таким образом, вполне логично предполагать, что кислород мог бы быть одним из доминирующих «легких элементов» в составе ядра. Однако новое исследование команды Инвэя Фэя из Вашингтонской геофизической лаборатории Карнеги, показывает, что свидетельств присутствия кислорода во внешнем ядре нет. Этот факт имеет большое значение для нашего понимания периода, когда Земля сформировалась через аккрецию пыли и космического материала.

Сегодняшние технологии могут позволить получить образцы материалов с другой планеты, но, как ни удивительно, узнать состав ядра напрямую пока невозможно. Исследовать ядро Земли можно с помощью сейсмического зондирования: оборудование регистрирует отраженные волны, после чего ученые могут вывести приблизительный состав вещества, через которое проходят эти волны.

Согласно текущим моделям, кроме большого количества железистых материалов, жидкое внешнее ядро Земли содержит небольшой процент так называемых легких элементов – возможно, сера, кремний, углерод или водород, и минимальное количество кислорода. Это исследование Фэй ведет в сотрудничестве с китайскими коллегами, включая ведущего автора исследования Хайюна Хуанга из Технологического университета Ухани в Китае, который на данный момент работает в Карнеги. Команда в результате исследования получила новые экспериментальные данные, которые сужают тождественность легких элементов, присутствующих во внешнем ядре Земли.

Внутреннее ядро — это плотное шарообразное формирование, которое, предположительно, имеет радиус около 1 200 км и состоит из железисто-никелевых масс. Есть мнение, что ядро начало образовываться из-за остывания подповерхностных слоев Земли

Чем глубже погружение под земную поверхность, тем больше увеличиваются и давление, и температура. В результате материалы начинают работать и взаимодействовать отлично от того, как они ведут себя на поверхности. В центре Земли находятся жидкое внешнее ядро и твердое внутреннее ядро. Ученые считают, что легкие элементы играют важную роль в процессе конвекции жидкого внешнего ядра, которое генерирует магнитное поле Земли.

Ученые знают изменения функций плотности и скорости звука в зависимости от глубины ядра из сейсмических наблюдений, но до настоящего времени было трудно измерить эти свойства в предполагаемых железисто-никелевых сплавах в ядре с учетом давления и температуры в лабораторных условиях на поверхности Земли.

«Мы не можем взять образец материалов непосредственно из самого ядра. Таким образом, мы должны сымитировать все условия и узнать о свойствах материалов в ядре посредством высокотехнологичных лабораторных экспериментов, совмещая моделирование и сейсмические данные», - говорит Фэй.

Высокоскоростные воздействия могут произвести скачок уплотнения (ударная волна), что спровоцирует повышение температуры и давления материалов, одновременно приводя к плавлению материалов при давлении, сходном с таковым во внешнем ядре. Команда проводила эксперименты с ударной волной с использованием основных материалов, присутствие которых предполагается в ядре – железистые смеси, сера и кислород. Ученые довели материалы до жидкого состояния и измерили их плотность и скорость звука, проходящего через них при условиях, имитирующих условия в жидком ядре.

Сравнивая полученные данные с наблюдениями, исследователи пришли к заключению, что кислород не может быть основным легким элементом, составляющим материал внешнего ядра Земли, потому что эксперименты, проводимые на богатых кислородом материалах не сходятся с геофизическими наблюдениями. Это доказывает справедливость недавних моделей ранней Земли, которая развивалась в условиях мало окисленной окружающей среды.

«Исследование показало путь, чтобы расшифровать легкие элементы в ядре. Дальнейшее исследование должно сосредоточиться на синтезировании состава этих элементов; следующий этап будет основываться на выяснении потенциального содержания таких элементов, как кремний, во внешнем ядре», - подытожил Фэй.

Эти исследования поддерживаются Национальным фондом естествознания Китая, Фондом фундаментального исследования для университетов, Национальным научным фондом и Научным институтом Карнеги.