БОСТОН. Огромные магматические океаны Земли, глубоко вздымающиеся под нашими ногами, похоже, закачивают кислород в жидкое ядро планеты. И этот кислород формирует землетрясения и вулканы по всей нашей планете.
К такому выводу пришли ученые исследовательского колледжа лондонского физика Дарио Альфе, представленные во вторник (5 марта) здесь, на мартовском собрании Американского физического общества. Хотя невозможно непосредственно наблюдать кислород в ядре Земли - тысячи миль раскаленной породы мешают этой точке зрения - Алфе и его сотрудники использовали комбинацию сейсмологических данных, химии и знаний о древней истории нашей солнечной системы, чтобы сделать свои выводы.
Главное доказательство того, что что-то вроде кислорода прячется в железном ядре? Землетрясения. Грохот, который мы ощущаем на поверхности, является результатом волн, которые движутся по всей нашей планете. И поведение этих волн предлагает ключи к содержанию Земли - почти как ультразвук всей планеты.
Когда волны землетрясения отражаются от ядра и возвращаются к поверхности, их форма указывает на то, что внешнее ядро из жидкого железа значительно менее плотно, чем внутреннее ядро из твердого железа под давлением. И эта разница в плотности влияет на форму землетрясений и поведение вулканов на поверхности. Но это не то, как должно вести себя чистое железо, сказал Алфе в интервью Live Science после своего выступления.
«Если ядром было чистое железо, контраст плотности между твердым внутренним ядром и жидкостью должен составлять порядка 1,5%», - сказал он. «Но сейсмология говорит нам, что это больше похоже на 5 процентов».
Другими словами, внешнее ядро менее плотное, чем должно быть, что говорит о том, что в нем смешан какой-то не содержащий железа элемент, что делает его легче.
Так что возникает вопрос: почему более легкий элемент смешивается с внешним ядром, а не с твердым внутренним ядром?
По словам Алфе, когда атомы находятся в жидком состоянии, они свободно протекают мимо друг друга, что позволяет сосуществовать смеси различных элементов даже в экстремальных условиях внутренней Земли. Но поскольку экстремальные давления приводят внутреннее ядро в твердое состояние, атомы там образуют более жесткую решетку химических связей. И эта более строгая структура не вмещает посторонние элементы так же легко. Когда сформировалось твердое ядро, в его жидкое окружение могли бы попадать атомы кислорода и другие примеси, такие как зубная паста, вырывающаяся из сжатой трубки.
«Вы видите похожий эффект в айсбергах», - сказал он.
Когда соленая вода в океане замерзает, она удаляет свои примеси. Таким образом, айсберги превращаются в куски чистой пресной воды, плавающей над богатым натрием океаном.
Нет прямых доказательств того, что более легким элементом в жидком ядре является кислород, сказал Алфе. Но наша планета образовалась из пылевых облаков ранней солнечной системы, и мы знаем, какие элементы там присутствовали.
Исследовательская группа исключила другие элементы, такие как кремний, которые теоретически могут присутствовать в ядре на основе состава этого облака, но не объясняют наблюдаемый эффект. Кислород был оставлен как наиболее вероятный кандидат, сказал он.
Кроме того, уровни кислорода, теоретически присутствующие в ядре, кажутся ниже, чем то, что химия предсказывает на основании содержания кислорода в мантии. Это говорит о том, что больше кислорода, вероятно, химически перекачивается во внешнее ядро даже сегодня из более богатой кислородом мантии, окружающей его.
Отвечая на вопрос, как выглядит кислород в ядре, Алфе ответил, что не представляет пузыри или даже ржавчину, которая образуется, когда железо связывается непосредственно с кислородом. Вместо этого при этих температурах и давлениях атомы кислорода свободно плавали бы среди атомов железа, создавая плавучие скопления жидкого железа.
«Если вы возьмете пакет с жидкостью, содержащей 90 атомов железа и 10 атомов кислорода, этот пакет будет менее плотным, чем пакет из чистого железа», и поэтому он будет плавать, сказал Алфе.
Чтобы подтвердить эти результаты, Алфе сказал, что он с нетерпением ожидает результатов усилий по измерению нейтрино, образовавшихся на нашей планете и излучающих к поверхности. По его словам, «геонейтрино» очень редки, они могут предложить много информации о том, что конкретно происходит на планете, когда они появляются.
Но без какого-либо прямого доступа к ядру физики всегда будут зацикливаться на своих суждениях о его составе на основе ограниченных вторичных данных.
