Дефицит плотности ядра Земли в два раза превысил предыдущие оценки
Категория: ЗемляЯпонские геофизики обнаружили, что либо дефицит плотности, либо темпера ядра Земли должны быть существенно больше предыдущих оценок. Такой вывод они сделали на основе уточненных измерений при экстремально высоких давлениях, на уровне нескольких миллионов 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 не доступны. 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 одного миллиона атмосфер.
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 давления в несколько миллионов атмосфер ядра Земли.
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 несколько миллионов атмосфер. В результате ученые получили параметры уравнения, которые сходятся с предыдущими исследованиями до давления порядка 0,8 миллиона атмосфер, но начинают существенно отличаться при более больших давлениях. Расхождение достигает 20 процентов при плотности 30 грамм на кубический сантиметр и продолжает расти с увеличением давления.
- Первичная шкала давления для рения и калиброванная зависимость плотности от давления для гексагонального плотноупакованного железа.
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 одного миллиона атмосфер, но существенно разошлись при более больших давлениях.
- Зависимость давления от температуры для гексагонального плотноупакованного железа при высокой температуре и для предварительной эталонной модели Земли.
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 миллиона атмосфер и температуры 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.
Источник: N+1
Оригинальная статья: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8706