Ученые выяснили, как водород может менять внутреннее ядро Земли: открытие меняет представления о центре планеты

Несмотря на десятилетия исследований, внутреннее строение Земли по-прежнему остается одной из главных загадок современной геофизики. Ученые никогда не смогут напрямую добраться до центра планеты: даже самые глубокие скважины проникли лишь на несколько километров, тогда как расстояние до ядра превышает 5000 километров. Поэтому знания о внутреннем устройстве Земли строятся на анализе сейсмических волн, лабораторных экспериментах и компьютерном моделировании. Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, предлагает неожиданное объяснение одному из самых загадочных свойств земного ядра — роли водорода в его строении.

Известно, что внутреннее ядро Земли состоит преимущественно из железа. Однако уже много лет геофизики замечают важное несоответствие. Если бы ядро состояло исключительно из железа и никеля, его плотность была бы выше той, которую фиксируют современные измерения. Это означает, что в глубинах планеты должны присутствовать более легкие химические элементы. Среди наиболее вероятных кандидатов называют водород, кислород, кремний, углерод и серу.

Особый интерес вызывает именно водород. Это самый распространенный элемент во Вселенной, который способен проникать в структуру железа при экстремальных давлениях и температурах. В центре Земли давление превышает 3,5 миллиона атмосфер, а температура достигает примерно 5500 градусов по Кельвину. В таких условиях привычные свойства вещества кардинально меняются, и водород начинает вести себя совершенно необычным образом.

Исследователи предполагают, что во внутреннем ядре водород переходит в так называемое суперионное состояние. Его особенность заключается в том, что атомы железа продолжают образовывать твердую кристаллическую решетку, тогда как атомы водорода получают возможность свободно перемещаться внутри этой структуры почти так же, как частицы жидкости. Такое состояние вещества отличается как от обычного твердого тела, так и от жидкости и считается одной из самых экзотических фаз материи, известных современной физике.

До настоящего времени ученые не могли точно определить, как именно распределяется водород внутри ядра и влияет ли он на строение различных кристаллических фаз железа. Различные компьютерные модели нередко давали противоречивые результаты, поскольку использовали разные методы расчета межатомных взаимодействий и термодинамических параметров.

Авторы новой работы решили подойти к проблеме иначе. Они использовали квантово-механические расчеты ab initio — один из наиболее точных методов современной вычислительной физики. Такой подход позволяет моделировать поведение вещества практически с нуля, основываясь на фундаментальных законах квантовой механики без использования эмпирических поправок. Затем ученые построили фазовые диаграммы системы железо–водород и смоделировали поведение вещества при температурах и давлениях, характерных для внутреннего ядра Земли.

Результаты оказались весьма интересными. Выяснилось, что водород распределен внутри ядра неравномерно. Его концентрация максимальна у границы между жидким внешним и твердым внутренним ядром, где достигает примерно 16 атомных процентов. По мере продвижения к центру планеты содержание водорода постепенно уменьшается примерно до 9 процентов. Иными словами, внутри ядра существует выраженный радиальный градиент, который возникает естественным образом вследствие термодинамического равновесия.

Еще одним важным выводом стало то, что распределение водорода определяется не столько давлением, сколько температурой относительно точки плавления железа. Это означает, что формирование химического состава ядра оказалось тесно связано с процессом его кристаллизации. По мере медленного роста внутреннего ядра водород перераспределяется между жидкой и твердой фазами железа, создавая устойчивый химический градиент.

Моделирование также показало, что водород способен стабилизировать необычную объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру железа при достаточно высоких температурах и концентрациях. Однако при дальнейшем повышении температуры вещество начинает плавиться, поэтому подобная фаза существует лишь в ограниченной области условий. Эти результаты помогают объяснить, почему различные модели внутреннего ядра иногда предсказывают разные варианты его кристаллического строения.

Полученные данные имеют большое значение не только для понимания состава ядра. Именно процессы, происходящие в его глубинах, определяют работу геодинамо — механизма, создающего магнитное поле Земли. Магнитное поле защищает атмосферу от солнечного ветра, снижает поток космической радиации и делает существование сложной жизни на поверхности планеты возможным. Любое уточнение модели внутреннего ядра помогает лучше понять происхождение и долговременную эволюцию этого защитного механизма.

Авторы исследования отмечают, что представленная модель пока учитывает лишь взаимодействие железа и водорода. В действительности ядро Земли почти наверняка содержит сразу несколько легких элементов, включая кислород, кремний, углерод и серу. В будущем ученые планируют расширить расчеты, чтобы получить более реалистичную модель многокомпонентного состава земного ядра и проверить, как различные элементы влияют друг на друга в экстремальных условиях.

Железо, водород, кислород, кремний, углерод, сера; внутреннее ядро, внешнее ядро, суперионное состояние, термодинамическое равновесие; квантовое моделирование, фазовые диаграммы, кристаллическая решетка — подобные исследования постепенно позволяют заглянуть в самые недоступные области нашей планеты. Хотя человек никогда не сможет напрямую увидеть ядро Земли, современные вычислительные методы становятся своеобразным окном в глубины, раскрывая процессы, которые определяют эволюцию планеты уже более четырех с половиной миллиардов лет.