Ученые получили признаки необычного состояния гидрида железа внутри Земли
При огромных давлениях атомы железа сохранили кристаллическую решетку, а водород начал перемещаться внутри нее почти как жидкость. Такое состояние вещества может существовать во внутреннем ядре Земли и влиять на распространение сейсмических волн.
МОСКВА, 23 августа /Новости науки/. Японские ученые впервые обнаружили признаки необычного состояния гидрида железа внутри Земли. Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.
Речь идет о сверхионном состоянии вещества. В нем тяжелые атомы железа остаются на своих местах и образуют твердую кристаллическую решетку, тогда как легкие атомы водорода свободно перемещаются между ними, напоминая частицы жидкости. Такое поведение может объяснить некоторые необычные свойства внутреннего ядра Земли, в том числе сравнительно низкую скорость поперечных сейсмических волн.
«Сверхионное состояние сплавов железа с легкими элементами существует только при сверхвысоких давлениях и температурах, поэтому ранее его не удавалось наблюдать экспериментально», — пояснил профессор Кэндзи Ота.
Ученые поместили микроскопические образцы гидрида железа FeHₓ между двумя алмазными наковальнями. Давление внутри установки составляло от 50 до 110 гигапаскалей, то есть в сотни тысяч и более чем миллион раз превышало атмосферное. Одновременно образец нагревали лазерами до температуры свыше 2 тыс. кельвинов, или примерно 1,7 тыс. градусов Цельсия.
Изменения в структуре вещества исследователи отслеживали при помощи синхротронного рентгеновского излучения на японском комплексе SPring-8. При температуре около 1,5–1,8 тыс. кельвинов они зафиксировали резкое изменение теплового расширения материала. График этого изменения напоминал греческую букву λ. Подобная аномалия ранее наблюдалась при переходе других веществ в сверхионное состояние.
Во второй серии экспериментов к образцу приложили постоянное электрическое напряжение. При температуре около 1,6 тыс. кельвинов распределение водорода в гидриде железа резко изменилось: после быстрого охлаждения его повышенную концентрацию обнаружили у положительного электрода, а пониженную — у отрицательного. Это показало, что водород стал перемещаться сквозь железную решетку.
На основе полученных данных исследователи рассчитали границу перехода гидрида железа из обычного твердого состояния в сверхионное. При давлениях, характерных для внутреннего ядра Земли, температура такого перехода должна быть значительно ниже предполагаемой температуры ядра. Следовательно, если в нем действительно присутствует достаточно водорода, часть вещества может находиться в сверхионном состоянии.
Вместе с тем водород остается подвижным лишь на микроскопических расстояниях. По оценке авторов, под воздействием геомагнитного поля за 10 тыс. лет он сместился бы примерно на 0,1 микрометра. Чтобы преодолеть расстояние, сопоставимое с радиусом внутреннего ядра — около 1,2 тыс. километров, — ему потребовалось бы более чем в сто раз больше времени, чем существует Земля. Поэтому водород, попавший в ядро во время формирования планеты, мог сохраниться там до наших дней.
Внутреннее ядро Земли состоит преимущественно из железа и никеля, однако его плотность указывает на присутствие более легких элементов. Среди возможных примесей ученые называют водород, кислород, углерод, кремний и серу. Давление в центре планеты достигает примерно 360 гигапаскалей, а температура составляет несколько тысяч градусов.
Авторы подчеркивают, что эксперимент проводился при более низком давлении, а условия внутреннего ядра оценивались путем продолжения установленной фазовой границы. Поэтому результаты представляют собой убедительные экспериментальные признаки, но еще не прямое доказательство сверхионного состояния вещества в центре Земли. Теперь ученые намерены провести аналогичные опыты со сплавами железа, содержащими кислород, углерод и другие легкие элементы.
Речь идет о сверхионном состоянии вещества. В нем тяжелые атомы железа остаются на своих местах и образуют твердую кристаллическую решетку, тогда как легкие атомы водорода свободно перемещаются между ними, напоминая частицы жидкости. Такое поведение может объяснить некоторые необычные свойства внутреннего ядра Земли, в том числе сравнительно низкую скорость поперечных сейсмических волн.
«Сверхионное состояние сплавов железа с легкими элементами существует только при сверхвысоких давлениях и температурах, поэтому ранее его не удавалось наблюдать экспериментально», — пояснил профессор Кэндзи Ота.
Ученые поместили микроскопические образцы гидрида железа FeHₓ между двумя алмазными наковальнями. Давление внутри установки составляло от 50 до 110 гигапаскалей, то есть в сотни тысяч и более чем миллион раз превышало атмосферное. Одновременно образец нагревали лазерами до температуры свыше 2 тыс. кельвинов, или примерно 1,7 тыс. градусов Цельсия.
Изменения в структуре вещества исследователи отслеживали при помощи синхротронного рентгеновского излучения на японском комплексе SPring-8. При температуре около 1,5–1,8 тыс. кельвинов они зафиксировали резкое изменение теплового расширения материала. График этого изменения напоминал греческую букву λ. Подобная аномалия ранее наблюдалась при переходе других веществ в сверхионное состояние.
Во второй серии экспериментов к образцу приложили постоянное электрическое напряжение. При температуре около 1,6 тыс. кельвинов распределение водорода в гидриде железа резко изменилось: после быстрого охлаждения его повышенную концентрацию обнаружили у положительного электрода, а пониженную — у отрицательного. Это показало, что водород стал перемещаться сквозь железную решетку.
На основе полученных данных исследователи рассчитали границу перехода гидрида железа из обычного твердого состояния в сверхионное. При давлениях, характерных для внутреннего ядра Земли, температура такого перехода должна быть значительно ниже предполагаемой температуры ядра. Следовательно, если в нем действительно присутствует достаточно водорода, часть вещества может находиться в сверхионном состоянии.
Вместе с тем водород остается подвижным лишь на микроскопических расстояниях. По оценке авторов, под воздействием геомагнитного поля за 10 тыс. лет он сместился бы примерно на 0,1 микрометра. Чтобы преодолеть расстояние, сопоставимое с радиусом внутреннего ядра — около 1,2 тыс. километров, — ему потребовалось бы более чем в сто раз больше времени, чем существует Земля. Поэтому водород, попавший в ядро во время формирования планеты, мог сохраниться там до наших дней.
Внутреннее ядро Земли состоит преимущественно из железа и никеля, однако его плотность указывает на присутствие более легких элементов. Среди возможных примесей ученые называют водород, кислород, углерод, кремний и серу. Давление в центре планеты достигает примерно 360 гигапаскалей, а температура составляет несколько тысяч градусов.
Авторы подчеркивают, что эксперимент проводился при более низком давлении, а условия внутреннего ядра оценивались путем продолжения установленной фазовой границы. Поэтому результаты представляют собой убедительные экспериментальные признаки, но еще не прямое доказательство сверхионного состояния вещества в центре Земли. Теперь ученые намерены провести аналогичные опыты со сплавами железа, содержащими кислород, углерод и другие легкие элементы.
