Центр Земли оказался не таким, как учили в школе

Внутреннее ядро Земли, долгое время описываемое как твердая железная сфера, оказалось гораздо сложнее. Новые исследования показывают, что при экстремальных давлениях и температурах вещество в центре планеты переходит в суперионное состояние — редкую фазу материи, которая меняет наше понимание геофизики и работы земного магнитного поля.


На протяжении десятилетий школьные учебники и научно‑популярные издания описывали центр Земли предельно просто: расплавленное внешнее ядро и твердое внутреннее, состоящее в основном из железа. Эта модель объясняла базовые процессы — от распространения сейсмических волн до существования магнитного поля. Однако с накоплением новых данных у геофизиков появлялось все больше вопросов, на которые классическая схема отвечала плохо.

Сейсмологи давно фиксировали аномалии: сдвиговые волны проходили через внутреннее ядро медленнее, чем должны были, а коэффициент Пуассона — показатель упругости материала — оказывался выше расчетного. Внутреннее ядро вроде бы твердое, но ведет себя как нечто промежуточное между твердым телом и вязким металлом. Эти несоответствия накапливались, но долгое время не находили убедительного физического объяснения.

Прорыв произошел благодаря совместной работе исследователей из Сычуаньского университета и Института геохимии Китайской академии наук. Используя экспериментальные установки высокого давления и компьютерное моделирование, ученые изучили поведение железа с примесями легких элементов при условиях, соответствующих центру Земли — давления свыше 3,3 млн атмосфер и температуры порядка 2 600–3 000 K.

Результат оказался неожиданным: внутреннее ядро может находиться в суперионной фазе. Это особое состояние материи, при котором кристаллическая решетка тяжелого элемента — в данном случае железа — остается относительно жесткой, а легкие элементы, прежде всего углерод, свободно перемещаются внутри нее. Формально вещество остается «твердым», но на микроскопическом уровне оно демонстрирует подвижность, сравнимую с жидкостью.

Именно это состояние объясняет давние загадки. Подвижность легких элементов снижает сопротивление сдвигу, из‑за чего сейсмические волны замедляются. Одновременно возрастает упругость среды, что отражается в измерениях коэффициента Пуассона. Впервые экспериментальные данные напрямую совпали с тем, что десятилетиями предсказывали теоретические модели.

Значение открытия выходит далеко за рамки уточнения школьных схем. Суперионное внутреннее ядро по‑новому объясняет работу геодинамо — механизма, создающего магнитное поле Земли. Движение легких элементов внутри железной решетки может вносить вклад в перенос энергии и поддерживать магнитную активность планеты. Это особенно важно на фоне наблюдаемого дрейфа магнитных полюсов и периодических ослаблений магнитного поля в геологическом прошлом.

Кроме того, новая модель влияет на понимание тепловой эволюции Земли. Если внутреннее ядро не полностью статично, а частично «текуче» на атомном уровне, это меняет расчеты теплопереноса из глубин планеты к мантии. В долгосрочной перспективе такие процессы определяют вулканическую активность, тектонику плит и устойчивость климата в геологических масштабах времени.

Интерес исследователей не ограничивается одной Землей. Суперионные фазы рассматриваются как возможное состояние вещества в недрах каменистых экзопланет, которые по массе и составу превосходят нашу планету. Понимание того, как ведет себя материя при экстремальных давлениях, помогает оценивать, есть ли у таких миров магнитное поле, а значит — защита от космического излучения и потенциальная пригодность для жизни.

Таким образом, центр Земли перестает быть образом «мертвой железной сферы». Он предстает как динамическая система, где материя существует в редком и сложном состоянии, влияющем на все — от магнитного поля до долгосрочной эволюции планеты. И это один из редких случаев, когда уточнение фундаментальной физики буквально меняет взгляд на наш дом.

ИЗНАНКА

Открытие суперионного состояния внутреннего ядра показывает, насколько условны даже самые устоявшиеся научные модели. Земля под нашими ногами — не застывший механизм, а живая система, чья внутренняя динамика до сих пор хранит больше загадок, чем ответов.

Фото: ИЗНАНКА

Читайте, ставьте лайки, следите за обновлениями в наших социальных сетях и присылайте материалы в редакцию.

ИЗНАНКА — другая сторона событий.