Условия внутреннего ядра Земли воссоздали в установке термоядерного синтеза

Физики из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Лоуренс (LLNL) совершил путешествие к центру Земли, хотя и на кратчайшие мгновения. Они не бурили тысячи километров скважин, а обстреливали железо мощными лазерами в установке термоядерного синтеза и измеряли его вязкость. Результаты захватывающих экспериментов опубликовало издание Nature Communications.

"Железо является основным компонентом ядра Земли и других планет земной группы, и его поведение в условиях внутреннего ядра еще недостаточно изучено. Наши результаты дают важное экспериментальное руководство по реологии железа - то есть физике его деформации и течения - в условиях, близких к ядру Земли", - объясняет физик LLNL Янг Джэ Ким, один из ведущих авторов статьи. «До сих пор измерение реологии железа при температурах и давлениях, типичных для внутреннего ядра, было чрезвычайно сложно — ни один лабораторный метод не мог одновременно охватить весь этот диапазон параметров в течение периода времени, достаточного для развития потока материала, и в то же время обеспечить возможности диагностики в реальном времени», — добавляет его коллега Гайя Риги, также ведущий автор.

Готовясь к экспериментам, она рассчитала множество конфигураций мишеней и форм лазерных импульсов — ей нужна была твёрдая уверенность, что давление можно поднять до 3 миллионов атмосфер, температуру до 5000 °С, и материал не успеет расплавиться.

Обстрелян лазерами со всех сторон

Лазеры стреляли по квадратной мишени размером 5,35 мм, состоящей из нескольких слоев разных материалов, при этом поверхность железа была сделана рифленой. Жесткое рентгеновское излучение индуцировалось специальными лучами освещения для получения изображения мишени и оценки роста неоднородностей в каждый момент времени; Путем измерения скорости движения задней поверхности мишени с помощью дополнительного оптического лазера ВИЗАР определялось достигаемое давление.

Полученные результаты были проанализированы с помощью радиационного гидродинамического и молекулярно-динамического моделирования, чтобы понять, что происходит в железе на атомном уровне.

Оказалось, что под воздействием экстремального давления в железе происходит фазовый переход, то есть перестройка кристаллической решетки, которая еще больше измельчает его микроструктуру, дробя ее на мелкие зерна. Эти изменения влияют на его реологические свойства. ε-фаза железа высокого давления, полученная из исходного монокристалла α-железа с ориентацией [001], стабильно проявляет большую прочность, чем образцы с ориентацией [111] – в нормальных условиях все обстоит с точностью до наоборот.

Твердая сердцевина оказалась мягче

Измеренная вязкость облученного железа оказалась на 12–16 порядков меньше, чем должна быть в керне, согласно геофизическим моделям. Но напрямую передать результаты экспериментов в ядро ​​невозможно, поскольку в лаборатории скорость деформации была быстрой, а в центре Земли эти условия постоянны.

«Понимание прочности материалов и ее зависимости от микроструктуры в среде внутреннего ядра Земли важно, поскольку оно может влиять на сейсмическую анизотропию — то есть на то, как сейсмические волны распространяются через внутреннее ядро, что, в свою очередь, связано с динамикой ядра и историей магнитного поля нашей планеты», — резюмирует Ким.

Исследователи планируют изучить область смешения внутреннего и внешнего ядра Земли.