Як поводиться залізо в надрах Землі: вчені відтворили процес і розкрили цю таємницю

Залізо — один з основних елементів, виявлених у внутрішньому ядрі Землі, який характеризується надзвичайно високими температурами й тиском. Визначення того, як саме залізо поводиться в цих екстремальних умовах, може допомогти просунути сучасне розуміння структури надр Землі та її геодинаміки, пише PHYS.org.

У новому дослідженні міжнародна команда з Європейського центру синхротронного випромінювання в Греноблі, Політехнічного інституту Парижа та інших інститутів світу вивчили температуру плавлення та фазову стабільність ударно стисненого заліза за високих температур і тисків з використанням надшвидкої рентгенівської абсорбційної спектроскопії. Результати їхньої роботи проливають світло на криву плавлення і структурну фазу заліза в екстремальних умовах, подібних до тих, що спостерігаються в надрах Землі.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

За словами першого автора дослідження, метою їхньої роботи було вивчення мікроскопічної поведінки заліза в екстремальних умовах тиску і температури, аж до діапазонів у кілька мегабарів і тисяч градусів Кельвіна, з використанням надшвидкої синхротронної рентгенівської абсорбційної рентгенівської спектроскопії. Автори дослідження також вважають, що їхня робота має вирішальне значення для розуміння властивостей ядра Землі, яке в основному складається із заліза з невеликою кількістю інших елементів.

Оскільки залізо становить основу ядра Землі, його властивості встановлюють верхню межу температури плавлення на кордоні, що розділяє внутрішнє і зовнішнє ядро планети. Визначення цієї температури, як вважають вчені, може допомогти у вивченні геодинаміки, а також пропонує розуміння процесу, за допомогою якого земне ядро кристалізується, утворюючи внутрішнє ядро.

Команда провела експеримент за допомогою лазерів високої потужності з енергією понад 40 Дж з енергодисперсійним пучком ID24-ED, оптимізованим для надшвидкої (≈100 пс) рентгенівської абсорбційної спектроскопії.

За словами Балугані, потужний лазер фіксується на багатошаровій мішені, видаляючи перший шар для створення гарячої плазми. Ця плазма розширюється і генерує ударну хвилю, що поширюється з надзвуковою швидкістю через зразок заліза. Ударна хвиля створює екстремальні умови тиску і температури в залізі. Одночасно рентгенівські промені синхронізуються для захоплення спектра XAS заліза в момент виходу ударної хвилі зі зразка, що відповідає піковому тиску і температурі в залізі.

У результаті вчені отримали детальну інформацію про структурну фазу заліза при надзвичайно високих тисках і температурах. Команді також вдалося визначити структурні зміни, яких зазнає елемент в умовах, що відображають ті, які виявлено в ядрі Землі.

За словами Балугані, вони з командою також визначили, що фаза чистого заліза за 240 ГПа і 5345 К, безпосередньо перед плавленням, являє собою гексагональну щільноупаковану (ГЩУ), а не об'ємноцентровану кубічну (ОЦК) структуру, передбачену багатьма теоретичними дослідженнями.

Автори дослідження зазначають, що отримані ними результати мають важливі наслідки для майбутнього вивчення геодинаміки Землі. Вимірювання, зібрані дослідниками, можуть в кінцевому підсумку просунути розуміння внутрішньої структури нашої планети та її термічної історії.

Результати дослідників встановлюють нові обмеження на криву плавлення заліза в екстремальних умовах, спростовуючи деякі більш ранні теорії.

Раніше Фокус писав про те, що вчені виявили приховану структуру всередині ядра Землі.