Вчені відкрили прихований компонент, що допоміг сформувати внутрішнє ядро Землі

Вчені з Оксфордського університету, Університету Лідса та Університетського коледжу Лондона виявили, що вуглець відіграв ключову роль у формуванні твердого внутрішнього ядра Землі. Дослідження в Nature Com­mu­ni­ca­tions показує: без цього елемента внутрішнє ядро могло взагалі не утворитися.

У центрі планети знаходиться внутрішнє ядро — щільна твердотіла маса, багата на залізо, яка продовжує рости, оскільки навколишнє розплавлене зовнішнє ядро поступово охолоджується та застигає. Проте те, як саме цей процес розпочався мільйони років тому, залишалося предметом наукових дебатів.

Формування внутрішнього ядра — не просто питання досягнення температури замерзання. Кристалізація залежить від хімічного складу. Розплавлене залізо, подібно до крапель води в хмарах, має пройти через “переохолодження” — охолодження нижче нормальної точки плавлення — перш ніж може почати твердіти.

Попередні моделі вказували, що для замерзання ядра з чистого заліза потрібне переохолодження на 800‑1000°C. Якби земне ядро справді охолонуло настільки, внутрішнє ядро мало б нереалістично великий розмір, а магнітне поле планети зникло б. Жодна з цих версій не відповідає історії Землі, тому науковці припускали максимальне переохолодження лише на 250°C.

Команда використала комп’ютерне моделювання з приблизно 100 000 атомів при температурах та тисках, еквівалентних умовам внутрішнього ядра. Вони відстежували утворення невеликих кристалоподібних скупчень атомів із рідини — процесу “нуклеації”, який є першим кроком до замерзання.

Результати виявилися несподіваними: кремній та сірка, елементи, які часто вважалися присутніми в ядрі, насправді уповільнюють процес замерзання. Натомість вуглець прискорює кристалізацію.

Дослідники встановили, що якщо 3,8% маси ядра становить вуглець, необхідне переохолодження зменшується до 266°C. Це єдиний відомий склад, що може пояснити як нуклеацію, так і спостережуваний розмір внутрішнього ядра.

Провідний автор доктор Альфред Вілсон з Університету Лідса пояснює: “Вивчаючи формування внутрішнього ядра Землі, ми не просто дізнаємося про минуле планети. Ми отримуємо рідкісну можливість зрозуміти хімію регіону, до якого ніколи не зможемо дістатися безпосередньо”.

Експерименти також показали, що замерзання внутрішнього ядра відбулося без “зародків нуклеації” — крихітних частинок, які допомагають ініціювати кристалізацію. Це важливо, оскільки всі кандидати на роль таких зародків у попередніх симуляціях розплавлялися або розчинялися.

Науковці десятиліттями дискутували про час початку затвердіння внутрішнього ядра. Деякі стверджують про давній вік понад два мільярди років, інші припускають значно молодший вік менше півмільярда років. Нова інформація про вміст вуглецю наближає до розуміння хімії та фізичних властивостей ядра, а отже й його еволюції.