Как ведет себя железо в недрах Земли: ученые воспроизвели процесс и раскрыли эту тайну

Железо — один из основных элементов, обнаруженных во внутреннем ядре Земли, который характеризуется чрезвычайно высокими температурами и давление. Определение того, как именно железо ведет себя в этих экстремальных условиях, может помочь продвинуть современное понимание структуры недр Земли и ее геодинамики, пишет PHYS.org.

В новом исследовании международная команда из Европейского центра синхротронного излучения в Гренобле, Политехнического института Парижа и других институтов мира изучили температуру плавления и фазовую стабильность ударно-сжатого железа при высоких температурах и давлениях с использованием сверхбыстрой рентгеновской абсорбционной спектроскопии. Результаты их работы проливают свет на кривую плавления и структурную фазу железа в экстремальных условиях, подобных тем, что наблюдаются в недрах Земли.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

По словам первого автора исследования, целью их работы было изучение микроскопического поведения железа в экстремальных условиях давления и температуры, вплоть до диапазонов в несколько мегабар и тысяч градусов Кельвина, с использованием сверхбыстрой синхротронной рентгеновской абсорбционной спектроскопии. Авторы исследования также считают, что их работа имеет решающее значение для понимания свойств ядра Земли, в основном состоящего из железа с небольшим количеством других элементов.

Поскольку железо составляет основу ядра Земли, его свойства устанавливают верхний предел температуры плавления на границе, разделяющей внутренне и внешнее ядро планеты. Определение этой температуры, как считают ученые, может помочь в изучении геодинамики, а также предлагает понимание процесса, посредством которого земное ядро кристаллизуется, образуя внутреннее ядро.

Команда провела эксперимент с помощью лазеров высокой мощности с энергией более 40 Дж с энергодисперсионным пучком ID24-ED, оптимизированным для сверхбыстрой (≈100 пс) рентгеновской абсорбционной спектроскопии.

По словам Балугани, мощный лазер фиксируется на многослойной мишени, удаляя первый слой для создания горячей плазмы. Эта плазма расширяется и генерирует ударную волну, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью через образец железа. Ударная волна создает экстремальные условия давления и температуры в железе. Одновременно рентгеновские лучи синхронизируются для захвата спектра XAS железа в момент выхода ударной волны из образца, что соответствует пиковому давлению и температуре в железе.

В результате ученые получили подробную информацию о структурной фазе железа при чрезвычайно высоких давлениях и температурах. Команде также удалось определить структурные изменения, которые претерпевает элемент в условиях, отражающих те, что обнаружены в ядре Земли.

По словам Балугани, они с командой также определили, что фаза чистого железа при 240 ГПа и 5345 К, непосредственно перед плавлением, представляет собой гексагональную плотноупакованную (ГПУ), а не объемноцентрированную кубическую (ОЦК) структуру, предсказанную многими теоретическими исследованиями.

Авторы исследования отмечают, что полученные ими результаты имеют важные последствия для будущего изучения геодинамики Земли. Измерения, собранные исследователями, могут в конечном итоге продвинуть понимание внутренней структуры нашей планеты и ее термической истории.

Результаты исследователей устанавливают новые ограничения на кривую плавления железа в экстремальных условиях, опровергая некоторые более ранние теории.