Hidrogeno srautai kietame geležyje Žemės šerdyje: atradimas

Įsivaizduokite mažyčius vandenilio upelius, siūbuojančius per kietą geležį giliai po jūsų kojomis. Skamba kaip mokslinė fantastika, bet nauji laboratoriniai tyrimai rodo, kad esant žiauriems slėgiams ir kunkuliuojančiai šilumai Žemės vidinėje šerdyje, vandenilis gali tekėti geležies tinklelyje, kol pati geležis lieka kieta.

Tyrėjai rado eksperimentinių įrodymų, kad vandenilis gali tapti itin judrus kietoje geležyje esant kraštutinėms slėgio ir temperatūros sąlygoms.

Branduolio tyrinėjimas miniatiūroje

Norėdami tirti materiją sąlygomis, kurios beveik niekur planetoje neegzistuoja, Tokijo Mokslo institute mokslininkai atkūrė nedidelį vidinės šerdies fragmentą deimantinio priekalo kameroje. Smulkūs centrinės kūbo briaunos geležies hidrido, FeHX, mėginėliai buvo suspaudžiami iki 50–110 gigapaskalių ir lazeriais kaitinami virš 2 000 Kelvinų. Tuo pat metu laike rezoliuota sinchrotroninė rentgeno difrakcija stebėjo, kaip kristalinė gardelė kito kylant temperatūrai ir slėgiui.

Geležies hidridas buvo suspaustas lazeriu kaitinamoje deimantinio priekalo kameroje ir ištirtas sinchrotroninės rentgeno difrakcijos būdu, atskleidžiant įrodymus apie superjoninę būseną. 

Kodėl ši įranga svarbi: deimantiniai priekalai gali imituoti milžinišką planetų vidinių dalių įtempimą mėginyje, kurio skersmuo milimetrai, o sinchrotroninė rentgeno difrakcija atskleidžia struktūrą su subatominiu tikslumu. Komandos, kuriai vadovavo doktorantai Yoshihiro Nagaya ir Yusuke Okazaki bei profesorius Kenji Ohta, nariai stebėjo, kaip gardelės tūris kito, kai vandenilis įsiskverbė ir persitvarkė geležies matricoje. Esant kritinei temperatūrai, maždaug 1 590 Kelvinų, duomenys parodė charakteringą lamdos formos anomaliją šiluminio plėtimosi koeficiente, kas yra anksčiau kitose superjoninėse medžiagose matyto fazinio perėjimo ženklas.

Anomalija leido tyrėjams nubrėžti ribą tarp įprasto kieto FeHX ir superjoninės fazės, kurioje vandenilis tampa itin mobilus, o geležies gardelė išlieka daugmaž nepažeista. Ekstrapoliuojant šią ribą į slėgius, būdingus Žemės vidinei šerdžiai, numatoma perėjimo temperatūra yra žemiau dabartinių vidinės šerdies temperatūros vertinimų. Trumpai tariant: planetos centro sąlygos būtų palankios superjoninei vandenilio turinčios geležies formai.

Ką tai reiškia branduolio dinamikai ir seisminiams signalams

Superjoninis elgesys nėra vien keistenybė. Jei vandenilis juda per kitą standžią geležies gardelę, bendros mechaninės savybės keičiasi. Gardelės suminkštėjimas prieš pjūvį galėtų paaiškinti kai kurias painias observacijas: seisminės šlyties bangos keliauja netikėtai lėtai per vidinę šerdį, palyginti su paprastais geležies modeliais. Mobilūs lengvieji elementai, tokie kaip vandenilis, suteikia tikėtiną mechanizmą, kuris mažina šlyties standumą neištirpdydamas šerdies.

Komanda ėjo toliau už struktūrinių požymių, kad išbandytų, ar vandenilis iš tiesų tapo judrus. Antroje laike registruojamos XRD serijoje jie pritaikė įtampą per įkaitintus, suspaustus mėginius ir pastebėjo staigų vandenilio perskirstymą palei mėginio ašį. Greitai atvėsinus mėginį, tas perskirstymas buvo užfiksuotas, suteikdamas tiesioginį eksperimentinį įrodymą, kad vandenilis migravo aukštos temperatūros fazės metu. Remiantis mėginio geometria ir taikyta įtampa, tyrėjai įvertino mobilumą maždaug 1 µm2 J^-1 s^-1 ir numatė difuzijos koeficientą apie 10^3 µm2 s^-1.

Šie skaičiai skamba dideli, bet svarbu atsižvelgti į mastelius ir laiko intervalus. Migracija, varoma Žemės geomagnetinio lauko, per 10 000 metų perstumtų vandenilį tik apie 0,1 µm. Tokiu greičiu nuvažiuoti atstumą, palyginamą su vidinės šerdies spinduliu (~1 200 km), užtruktų daugiau nei šimtą kartų planetos amžiaus. Taigi, nors vandenilis gali tekėti geležyje esant vidinės šerdies sąlygoms, jis geologiniais laikotarpiais būtų praktiškai užfiksuotas. Medžiaga, sukaupta Žemės formavimosi metu, gali likti užrakinta šerdyje per planetos gyvavimo laiką.

Platesnės pasekmės ir tolesni žingsniai

Šie eksperimentai pateikia dingusį gabalą vidinės šerdies sudėties mįslėje. Anksčiau superjoninė hipotezė daugiausia rėmėsi molekulinių dinamikos simuliacijomis ir teoriniais spėjimais. Tiesioginiai laboratoriniai įrodymai sustiprina teiginį, kad lengvieji elementai, tarp jų vandenilis, padeda formuoti mechaninį, šiluminį ir elektromagnetinį Žemės giliausių sluoksnių elgesį.

Klausimų lieka. Kiek vandenilio šerdis iš tiesų gali talpinti? Ar superjoninis transportas susijungia su magnetinėmis ar konvekcinėmis procesų dinamikomis išoriniame branduolyje? Ir kaip deguonis, anglis ar silicis sąveikauja su vandenilio turinčiomis fazėmis panašiomis sąlygomis? Į šiuos klausimus atsakyti reikės papildomų priemonių: daugiau laboratorinių bandymų esant dar didesniems slėgiams ir temperatūroms, patikslintų difuzijos matavimų ir patobulintų geofizikos modelių, kurie įtrauks šiuos naujus duomenis į seisminės anizotropijos ir šerdies evoliucijos prognozes.

Eksperto įžvalga

„Šis darbas perkelia diskusiją nuo teorijos prie apčiuopiamo eksperimento“, sako dr. Elena Marconi, geofiziologė, nedalyvavusi tyrime. „Matyti, kaip vandenilis persiskirsto lazeriu kaitintame mėginyje, yra įtikinamas įrodymas, kad superjoninės fazės gali iš tiesų egzistuoti planetų viduje. Tai priverčia mus iš naujo peržiūrėti branduolio dinamikos ir šiluminės istorijos modelius.“

Profesorius Kenji Ohta ir jo studentai pabrėžia, kad geležies ir lengvųjų elementų lydinių superjoninė būsena gali egzistuoti tik esant itin aukštiems slėgiams ir temperatūroms, todėl ji iki šiol buvo tiesiogiai nepastebėta. Jų išvados, publikuotos žurnale Nature Geoscience, prideda eksperimentinį atramos tašką dešimtmečių simuliacijomis grindžiamai spėlionei.

Išvada

Vandenilio gebėjimas judėti per kietą geležinį rėmą esant branduolio sąlygoms peržvelgia mūsų supratimą apie Žemės centrą. Vidinė šerdis gali būti sudėtingesnė nei paprasta geležinė sfera: rigidus karkasas, prabarstytas mobiliomis lengvomis dalelėmis, kurios įtakoja seisminį elgesį, cheminę evoliuciją ir ilgalaikį pirminių ingredientų išlaikymą. Šis atradimas primena, kad net tankiausios ir sunkiausiai pasiekiamos planetos dalys gali slėpti netikėtą vidinį judėjimą.

Svarbiausia: vidinės šerdies sąlygomis geležies hidridas gali pereiti į superjoninę būseną, kur vandenilis teka per kietą geležies gardelę, tai turi matomą poveikį šerdies savybėms ir giluminės Žemės evoliucijai.