Дефицит плотности ядра Земли в два раза превысил предыдущие оценки

Японские геофизики обнаружили, что либо дефицит плотности, либо температура ядра Земли должны быть существенно больше предыдущих оценок. Такой вывод они сделали на основе уточненных измерений при экстремально высоких давлениях, на уровне нескольких мега атмосфер. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Точное представление о составе ядра Земли важно для понимания планетарной эволюции и геодинамики. К сожалению, образцы вещества из глубоких недр Земли для анализа недоступны. Поэтому наши знания о строении ядра базируются на сравнении лабораторных измерений с сейсмологическими наблюдениями, информацией о составе метеоритов и данных о температуре ядра.

Чтобы объяснить меньшую плотность ядра по сравнению с плотностью железа, ученые уже выдвигали предположение, что земное ядро содержит легкие элементы. Однако этот вывод критически зависит от наличия точной шкалы давления, необходимой для сопоставления давления, полученного в лаборатории, с геологическим давлением. В предыдущих исследованиях ученые использовали шкалу давлений, основанную во многом на экстраполяции и приближениях, особенно в области экстремально высоких значений. При этом результаты прошлых исследований ограничивались давлениями порядка одной мега атмосферы.

Дайдзе Икута (Daijo Ikuta) из Университета Тохоку с коллегами исследовал продольные и поперечные акустические скорости в образце рения, размещенного в ячейке с алмазными наковальнями в условиях экстремального давления. Ученые использовали метод неупругого рентгеновского рассеяния для измерения энергий продольных и поперечных мод в образце и рентгенографию для определения его плотности. Высокооптимизированная установка с размером луча пять микрометров и специальной оптикой для уменьшения фона позволила ученым расширить диапазон исследований до нескольких мега атмосфер.

Геофизики решили уравнение конечного состояния, используя полученные значения акустических скоростей и плотности образца. Это уравнение основано на теории конечной деформации с изотермическим модулем объемного сжатия и плотностью. Оно устанавливает связь между плотностью и первичным давлением на масштабах нескольких мега атмосфер. В результате ученые получили параметры уравнения, которые сходятся с предыдущими исследованиями до давления порядка 0,8 мега атмосферы, но начинают существенно отличаться при увеличении давления. Расхождение достигает 20 процентов при плотности 30 грамм на кубический сантиметр и продолжает расти с увеличением давления.

Чтобы понять влияние полученной калибровки шкалы по рению, ученые провели одновременные измерения с рением, гексагональным плотноупакованным железом и оксидом магния MgO при одинаковых давлениях путем лазерного отжига образцов для минимизации девиантных напряжений. Полученные решения уравнения состояния для гексагонального плотноупакованного железа в шкале рения также совпали с результатами предыдущих измерений в области до примерно одной мега атмосферы, но существенно разошлись при более больших давлениях.

На основании пересчета по шкале давлений по рению ученые получили, что плотность ядра Земли должна быть на 8 ± 2 процента меньше чем у гексагонального плотноупакованного железа. Это значимо больше предыдущих оценок от трех до пяти процента. Такие результаты геофизики получили для давлений порядка 3,3 мега атмосфер и температур около шести тысяч градусов — типичных оценках условий для внутреннего ядра Земли. Если же считать, что предыдущие оценки дефицита плотности верны, то тогда температура ядра должна быть на три тысячи градусов выше.

Как показывает это исследование, ядро нашей планеты еще довольно плохо изучено. И не только по составу. Например, недавно китайские ученые обнаружили, что ядро Земли существенно замедлилось. Об этом и более подробно о том, как ученые изучают недра нашей планеты, читайте в нашем материале «Докрутились».