Температуру ядра Земли уточнили с помощью лазерной абляции и рентгеновской спектроскопии

Физики уточнили температуру внутренней границы земного ядра, экстраполировав экспериментальные данные, которые получили с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии на железе, сжатом ударным методом до 270 гигапаскаль. Своей новой оценкой в 6202 кельвина при давлении 330 гигапаскалей исследователи поделились в журнале Physical Review Letters.

Согласно современным представлениям, ядро нашей планеты в основном состоит из железа и разделено на две части — расплавленную внешнюю и твердую внутреннюю. Кристаллизованный центр обеспечивает конвекцию вещества в жидкой компоненте, что в свою очередь создает магнитное поле вокруг Земли, свойства которого играют важную роль, например, в миграции животных (помогая ориентироваться нетопырям и путешествовать камышовкам в Нефтекамск).

Так как параметры земного магнитного поля напрямую зависят от характеристик планетного ядра, исследователи уделили особое внимание фазовой диаграмме железа, модель которой позволяет определить состояние металла при различных давлениях и температурах. Большинство данных о свойствах железа при давлениях выше 200 гигапаскалей физики получили благодаря динамическим и ударным методам сжатия, наблюдая объемную структуру вещества с помощью рентгеновской дифракции. Однако с определением температуры не все так просто: прямые пирометрические измерения обладают плохой точностью из-за низкой излучательной способности железа, а косвенные термодинамические расчеты зависят от выбранной модели теплопроводности, что приводит к погрешности в 10–20 процентов.

Николя Севелином-Радиге (Nicolas Sévelin-Radiguet) из Европейского центра синхротронных исследований совместно с физиками из Великобритании, США и Франции с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии измерил температуру железа, сжатого лазерным излучением до 100–270 гигапаскалей, а затем экстраполировал полученные результаты и получили уточненную оценку температуры земного ядра в 6202 кельвина.

Ученые провели эксперимент в Европейском центре синхротронного излучения на лазерной установке высокой мощности (HPLF): образец железа толщиной 3,5 микрометра исследователи нанесли на микроскопический алмаз и покрыли слоем парилена, а затем облучили лазером на длине волны 1053 нанометра. Оптические импульсы длительностью в десять наносекунд запустили лазерную абляцию парилена — вещество моментально испарилось, вызвав микровзрыв, который в свою очередь создал в подопытном материале ударные волны. Измерение скорости этих ударных волн позволило определить давление в железе с помощью гидродинамического моделирования.

Для измерения температуры железа физики использовали рентгеновскую абсорбционную спектроскопию: рентгеновский пучок рассеивался в пятно размером шесть на шесть микрометров на образце, а затем собирался позиционно-чувствительным детектором, что позволило авторам работы получить полный спектр с энергетическим разрешением в один электронвольт за один рентгеновский импульс длительностью 100 пикосекунд.

Собранные в результате эксперимента спектры ученые сопоставили с кривой Гюгонио и определили зависимость температуры для железа: выяснилось, что при давлении 240–270 гигапаскалей и температуре 5345–5800 кельвинов в образце наступило так называемое плато ударного плавления. Физики сопоставили эти данные с самыми последними многофазными уравнениями состояния железа, подтвердив их справедливость, и на основе экстраполяции получили новую верхнюю границу в 6202 кельвина для температуры границы внутреннего ядра Земли (при давлении 330 гигапаскалей).

Новые экспериментальные результаты физиков позволили разделить существующие модели фазовой диаграммы железа на те, что дают завышенную оценку температуры при экстремальных давлениях, и те, что согласуются с данными, полученными благодаря рентгеновской абсорбционной спектроскопии.

Ранее мы уже писали о том, как японские геофизики подвергли сомнению текущие оценки температуры и дефицита плотности ядра Земли.