Свръхнапрегнатите условия във външното ядро ​​на Земята са пресъздадени в лабораторията

Хиляди километри под земната повърхност, при екстремни налягания и температури, може да се открие ядрото на планетата. Има вътрешно ядро, състоящо се от твърда никел-желязна сфера, която се върти излишно във външното ядро, където желязото и никелът са течни.

Условията на това външно ядро ​​сега са пресъздадени в лаборатория от екип, ръководен от физика Себастиан Меркел от университета в Лил във Франция – по такъв начин, че учените са успели да наблюдават структурната деформация на желязото.

Това не само има последици за разбирането на нашата планета, но може да ни помогне да разберем по-добре какво се случва, когато парчета желязо се сблъскат в космоса.

„Не създадохме съществени условия изцяло вътрешно“, Физикът Ариана Глийсън каза: От Националната ускорителна лаборатория SLAC на Министерството на енергетиката на САЩ. „Но ние постигнахме условията на външното ядро ​​на планетата, което е наистина страхотно.“

При нормални земни условия кристалната структура на желязото е А кубна решетка. Атомите са подредени в решетка, като атомите са в ъгъла на всеки куб и един в центъра. Когато желязото се компресира при изключително високи налягания, тази решетка променя формата си и се деформира до a шестоъгълна структура. Това позволява повече атоми да бъдат опаковани в същия обем пространство.

Но е трудно да се каже какво се случва дори при по-високи налягания и температури – като тези в земното ядро. Въпреки това, през последните години лазерната технология е напреднала до степен, че в лабораторни условия малките проби могат да бъдат изложени на екстремни условия, като налягането и температурата, открити в белите джуджета.

Екипът на SLAC разположи два лазера. Първият е оптичен лазер, който изстрелва микроскопична проба от желязо и я излага на удар, който създава екстремно налягане и топлина.

Наляганията на външното ядро ​​на Земята варират от 135 до 330 гигапаскала (1,3 до 3,3 милиона атмосфери) и температури между 4000 и 5000 K (3727 до 4727 °C, или от 6740 до 8540 °F). .

Следващата част, и може би най-трудната, беше измерването на атомната структура на желязото по време на този процес. За тази цел екипът използва лазера Linac Coherent Light Source (LCLS) без рентгенови лъчи, който изследва пробата, докато изстрелва лазерната светлина.

„Успяхме да направим измерване за една милиардна част от секундата“, — каза Глийсън. „Замразяването на атоми там, където се намират за тези наносекунди, е наистина вълнуващо.“

Получените изображения, групирани в последователност, разкриват, че желязото реагира на допълнителния стрес, причинен от тези условия, чрез побратимяване. Това се случва, когато кристалната решетка стане толкова компактна, че някои точки на решетката се споделят от множество кристали по симетричен начин.

(С. Меркел / Университет в Лил, Франция)

За желязото в условията на външното ядро ​​на Земята това означава, че атомната подредба е избутана така, че шестоъгълниците да се въртят на около 90 градуса. Този механизъм позволява на метала да устои на върховете, казаха изследователите.

„Туинингът позволява на желязото да бъде невероятно силно – по-силно, отколкото първоначално си мислехме – преди да започне да тече пластично в много по-дълги времеви скали“, — каза Глийсън.

Сега, когато знаем как желязото се държи при тези условия, тази информация може да бъде включена в модели и симулации. Това има важни последици за начина, по който разбираме космическия сблъсък, например. Ядрото на Земята лежи подредено в рамките на една планета, но има астероиди, толкова метални, че смятаме, че са открити, оголени ядра на планети, които нарушават тяхното формиране.

Тези обекти могат да се сблъскат с други обекти, които могат да деформират желязната структура в тях. Сега имаме по-добра представа как се случва това. И разбира се, сега знаем повече за нашата планета.

„Бъдещето е светло сега, когато разработихме начин за извършване на тези измервания“, — каза Глийсън.

„Сега можем да дадем палец нагоре и палец нагоре за някои наистина основни физически модели на механизми на деформация. Това помага да се изгради част от предсказуемата сила, която ни липсва за моделиране как материалите реагират при екстремни условия.“

Търсенето е публикувано в съобщения за физически преглед.