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

Залізо — один з основних елементів, виявлених у внутрішньому ядрі Землі, яке характеризується надзвичайно високими температурами та тиском. Визначення того, як саме залізо поводиться в цих екстремальних умовах, може допомогти поглибити 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 установ світу вивчила температуру плавлення та фазову стабільність ударно-сжатого заліза при високих температурах і тисках, використовуючи надшвидку рентгенівську абсорбційну спектроскопію. Результати їхньої роботи проливають світло на криву плавлення та структурну фазу заліза в екстремальних умовах, подібних до тих, що спостерігаються в надрах Землі.

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

Оскільки залізо є основою ядра Землі, його властивості встановлюють верхній межу температури плавлення на межі, що розділяє внутрішнє та зовнішнє ядро планети. Визначення цієї температури, як вважають вчені, може допомогти в дослідженні геодинаміки, а також пропонує розуміння процесу, за допомогою якого земне ядро кристалізується, формуючи 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 та генерує ударну хвилю, що поширюється з надзвуковою швидкістю через зразок заліза. Ударна хвиля створює екстремальні умови тиску та температури в залізі. Одночасно рентгенівські промені синхронізуються для захоплення спектра XAS заліза в момент виходу ударної хвилі із зразка, що відповідає піковому тиску та температурі в залізі.

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

За словами Балугані, вони з командою також визначили, що фаза чистого заліза при 240 ГПа і 5345 К, безпосередньо перед плавленням, є гексагональною щільноупакованою (ГПУ), а не об'ємноцентрованою кубічною (ОЦК) структурою, передбаченою багатьма теоретичними дослідженнями.

Автори дослідження зазначають, що отримані ними результати мають важливі наслідки для майбутнього вивчення геодинаміки Землі. Вимірювання, зібрані дослідниками, можуть зрештою 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.