Открытие быстрого «массового движения» атомов железа в твердом внутреннем ядре Земли.

Заряженные ионы, взаимодействуя с магнитным полем Земли, часто создают полярные сияния вблизи полюсов планеты. Австралийское полярное сияние или «южное сияние» было запечатлено здесь спутником НАСА IMAGE. Кредит: НАСА

Новое исследование обнаружило быстрое «массовое движение» атомов железа во внутреннем ядре Земли. Это движение может объяснить неожиданную слабость ядра в сейсмических данных и иметь значение для понимания генерации магнитного поля Земли.

Атомы железа, составляющие твердое внутреннее ядро ​​Земли, плотно упакованы под воздействием астрономически высокого давления — самого высокого на планете.

Но даже здесь исследователи обнаружили, что есть пространство для маневра.

Исследование, проведенное Техасским университетом в Остине и его коллегами в Китае, показало, что определенные группы атомов железа во внутреннем ядре Земли способны быстро перемещаться, меняя места за доли секунды, сохраняя при этом основную металлическую структуру железа. Тип движения, известный как «массовое движение», напоминающий пересадку гостей за столом.

Модель атомов железа, движущихся во внутреннем ядре Земли. Модель показывает, как ожидается, что атомы железа во внутреннем ядре Земли будут двигаться в течение 10 пикосекунд. Одна пикосекунда равна одной триллионной секунды. Кредит: Чжан и др.

Эффекты магнитного поля Земли

Результаты, полученные с помощью лабораторных экспериментов и теоретических моделей, указывают на то, что атомы во внутреннем ядре движутся гораздо сильнее, чем считалось ранее.

Результаты могут помочь объяснить несколько интересных свойств внутреннего ядра, которые долгое время озадачивали ученых. Они также могут помочь пролить свет на роль, которую внутреннее ядро ​​играет в питании геодинамо Земли, неуловимого процесса, который генерирует магнитное поле планеты.

«Теперь мы знаем основной механизм, который поможет нам понять динамические процессы и эволюцию внутреннего ядра Земли», — сказал Чон-Фу Лин, профессор Школы геонаук Джексона при Университете Техаса и один из ведущих авторов исследования.

Исследование было опубликовано 2 октября в журнале Труды Национальной академии наук.

Фрагмент научной модели, показывающий, как атомы железа во внутреннем ядре Земли будут двигаться за 10 пикосекунд. Линии представляют собой путь кукуруза Он также перемещается во времени. Модель основана на алгоритме искусственного интеллекта, который представляет десятки тысяч атомов. Одна пикосекунда равна одной триллионной секунды. Кредит: Чжан и др.

Методы и результаты

Учёные не могут напрямую взять образцы из внутреннего ядра Земли из-за чрезвычайно высоких температур и давлений. Итак, Лин и его сотрудники воссоздали его в миниатюре в лаборатории, взяв небольшую железную пластину и выстрелив в нее быстро движущимся снарядом. Данные о температуре, давлении и скорости, собранные во время эксперимента, затем были введены в компьютерную модель атомов внутреннего ядра, созданную методом машинного обучения.

Ученые полагают, что атомы железа во внутреннем ядре расположены в повторяющейся шестиугольной конфигурации. По словам Линя, большинство компьютерных моделей, изображающих динамику решетки железа во внутреннем ядре, показывают лишь небольшое количество атомов, обычно менее сотни. Но с помощью алгоритма искусственного интеллекта исследователи смогли значительно улучшить атомную среду, создав «суперячейку», состоящую примерно из 30 000 атомов, для более надежного прогнозирования свойств железа.

В этом масштабе суперячейки ученые наблюдали, как группы атомов движутся и меняют места, сохраняя при этом общую гексагональную структуру.

Соавтор исследования Чон Фу «Аво» Линь представляет модель атомов железа, расположенных в гексагональной структуре, которая, как полагают, возникает во внутреннем ядре Земли. Фото: Чон-Фу Линь/Колледж геолого-геофизических наук штата Юта, Джексон.

Движение атомов объясняет сейсмические измерения

Исследователи заявили, что движение атомов может объяснить, почему сейсмические измерения внутреннего ядра показывают более мягкую и гибкую среду, чем можно было бы ожидать при таком давлении, сказал соавтор Юйцзюнь Чжан, профессор Сычуаньского университета.

«Сейсмологи обнаружили, что центр Земли, называемый внутренним ядром, на удивление гладкий, немного похожий на мягкое масло на вашей кухне», — сказал он. «Наше большое открытие заключается в том, что твердое железо становится удивительно мягким глубоко под землей, потому что его атомы могут двигаться гораздо больше, чем мы когда-либо могли себе представить. Это увеличенное движение делает внутреннее ядро ​​менее жестким и слабым перед лицом сил сдвига».

Исследователи заявили, что поиск ответа на объяснение «удивительно гладких» физических свойств, отраженных в сейсмических данных, является мотивацией их исследования.

Роль в энергии геодинамо Земли

По мнению исследователей, около половины энергии геодинамо, генерирующей магнитное поле Земли, можно отнести к внутреннему ядру, тогда как внешнее ядро ​​составляет остальную часть. Новое понимание активности внутреннего ядра на атомном уровне может помочь в будущих исследованиях того, как энергия и тепло генерируются во внутреннем ядре, как они связаны с динамикой внешнего ядра и как они работают вместе, создавая магнитное поле планеты. Это ключевой ингредиент для обитаемой планеты.

Ссылка: «Коллективное движение в ГПУ-Fe во внутренних условиях ядра Земли» Юцзюнь Чжан, Юн Ван, Юцянь Хуан, Цзюньцзе Ван, Чжисинь Лян, Лонг Хао, Чжипен Гао, Цзюнь Ли, Цян Ву, Хун Чжан, Юн Лю, Цзянь . Сунь и Гун Фу Линь, 2 октября 2023 г., Труды Национальной академии наук.
дои: 10.1073/pnas.2309952120

Исследование финансировалось Национальным фондом естественных наук Китая и Программой геофизики Национального научного фонда.