Моделирование лишило земное ядро половины углерода

Углерода в ядре Земли в два раза меньше, чем считалось ранее — такие данные получили геофизики с помощью модели образования Земли из углистых хондритов. Для этого они проанализировали распределение углерода между металлической и силикатной фазами, которые составляют ядро и мантию, соответственно, при условиях формирования земного ядра. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Углерод играет значительную роль в геодинамических процессах, в том числе влияет на динамику мантии и плавление магмы. Для того, чтобы понять, из каких блоков образовалась наша планета и как работали процессы доставки и потери углерода после ее образования, ученые моделируют содержание углерода в Земле и процессы его перераспределения между основными компонентами магмы: металлической и силикатной. Ядро состоит из металлической фазы, в которой в основном представлены железо, никель и их оксиды, а в мантии расположены силикатные фазы, которые представляют собой силикаты этих металлов с примесями — часто для оценки состава мантии используют минерал оливин.

Земное ядро на 10 процентов менее плотное, чем чисто металлическое при тех же условиях. К этому моменту непонятно, какой из легких элементов (кремний, кислород, сера, водород или углерод) вносит самый большой вклад в понижение плотности. Их наличие важно для понижения температуры плавления железа и образования конвекционных потоков во внешней части ядра, которые влияют на генерацию магнитного поля Земли.

Ученые предполагают, что именно углерод вносит большой вклад в свойства ядра из-за своей сидерофильности — сродству к металлическим фазам. Углерод в изобилии находится в углистых хондритах, что позволяет представить их, как строительные блоки зарождающейся Земли. Наличие углерода в ядре в качестве основного легкого элемента соответствует экспериментальным сейсмическим свойствам внутреннего ядра.

Ребекка Фишер (Rebecca Fischer) из Гарвардского университета со своими коллегами рассмотрела распределение углерода между металлической фазой магмы и силикатной в условиях образования Земного ядра. Они смешали порошки оливина, железа, никеля и графита и нагрели лазером в алмазной наковальне, чтобы достигнуть давления 37-59 гигапаскаль (~365-582 тысяч атмосфер) и температуры 4200-5200 кельвин. При подобных условиях углерод проявляет менее сидерофильные свойства, то есть распределение углерода между фазами металлов и силикатов стало отличаться не в 10000 раз, а в 100. Ученые дополнили свои данные предыдущими работами, в которых были более низкие температуры и давления, и вычислили параметры эмпирической зависимости коэффициента распределения от температуры, давления, степени полимеризации силиката и содержания серы и кислорода.

Геофизики смоделировали образование Земли аккрецией 50 малых тел с составом огнеупорных хондритов CI. Ключевыми параметрами модели были распределения железа, кремния, кислорода, никеля, серы и углерода. В каждый момент времени равновесие углерода между металлической фазой и силикатной достигалось при 65 процентах давления на границе ядра и мантии, температуре плавления породы перидотита и при котором летучесть кислорода изменилась линейно от 1,5 до 3. Такое поведение летучести кислорода объясняется двумя факторами: аккрецией более окисленного материала с внешнего диска в конце планетной аккреции и восстановление оксида кремния железом, которое протекает при повышенной температуре и давлении. Эти условия модели позволили ученым оценить состав примесей ядра: 7.8 процентов кремния, 5.2 процентов никеля, 1.2 процента кислорода, 0.9 процента серы и 0.09 — 0.2 процента углерода. Это позволило геофизикам опровергнуть большой вклад углерода в понижение плотности ядра. Сейсмические свойства ядра удалось объяснить большим содержанием кремния и кислорода, которые оба при повышении температуры и давления становятся более сидерофильными.

И хотя содержание углерода в Земном ядре оказалось меньше предыдущих оценок, это количество все равно составляет от 78 до 89 процентов всего углерода на Земле. Но авторы признают, что оценка грубая и содержание углерода в ядре может быть еще меньше.

Соотношение между летучими элементами — распространенная техника установления исходных источников образования Земли, но обогащенность ядра летучими компонентами слабо изучена при больших давлениях и температурах для всех элементов, кроме серы. Авторы сопоставили концентрации углерода и серы и пришли к выводу, что процесс образования ядра отделяет серу от углерода. Содержание серы и углерода больше всего соответствует хондритам CO, CV и EL. Таким образом, ученые подтвердили модели, в которых углистые хондритоподобные предшественники вносят существенный вклад в летучие компоненты Земли.

Процессы в ядре Земли активно изучаются многими научными группами. Полгода назад ученые выяснили, что оксид железа (II) в силикатных минералах мантии диспропорционирует на высший оксид и металлическое железо, что позволяет кислороду и воде выйти из ядра наружу. А два года назад химики показали, что при условиях земного ядра может образовываться экзотическое стабильное соединение гелия и оксида железа (IV). О других интересных возможностях высоких давлений рассказывается в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Артем Моськин