Symulacje sugerują superjonowy stan materii w wewnętrznym jądrze Ziemi

Najnowsze analizy naukowe wskazują, że materia tworząca wewnętrzne jądro Ziemi może znajdować się w stanie superjonowym, co jest stanem skupienia charakteryzującym się ekstremalnymi parametrami ciśnienia i temperatury. Stan ten jest porównywany do hipotetycznego lodu superjonowego, który, jak się przypuszcza, dominuje w jądrach gazowych olbrzymów, takich jak Uran czy Neptun. Wewnętrzne jądro naszej planety, będące sferą żelazną o promieniu około 2 500 kilometrów, zawiera również nikiel oraz śladowe ilości pierwiastków lekkich, w tym tlenu, siarki lub węgla.

Zespół badawczy z Chińskiej Akademii Nauk (CAS), kierowany przez geofizyka Yu He, wykorzystał zaawansowane modelowanie komputerowe oparte na mechanice kwantowej do odtworzenia warunków panujących w centrum globu. Precyzyjne symulacje wykazały, że stopy żelaza domieszkowane lekkimi elementami, takimi jak wodór, tlen i węgiel, przechodzą transformację w stan superjonowy pod wpływem panujących tam warunków. W tej strukturze lekkie składniki poruszają się swobodnie, niczym w cieczy, podczas gdy żelazo zachowuje uporządkowaną, stałą sieć krystaliczną. Yu He określił to odkrycie jako „dość nienaturalne”.

Konsekwencje tego modelu mają znaczenie dla rozumienia dynamiki planetarnej. Naukowcy sugerują, że ta superjonowa struktura może wyjaśniać niższą prędkość fal poprzecznych mierzoną metodami sejsmicznymi, co tłumaczy obserwowane, względne „miękkość” jądra wewnętrznego. Ponadto, ta koncepcja może rzucić światło na mechanizmy zmian strukturalnych zachodzących w jądrze na przestrzeni eonów oraz na powstawanie prądów konwekcyjnych, kluczowych dla generowania ziemskiego pola magnetycznego.

W kontekście historycznym, wcześniejsze badania, między innymi te prowadzone przez prof. Adama Dziewońskiego i Dona Andersona po trzęsieniu ziemi na Alasce w 1964 roku, ustaliły trójstrefowy podział jądra, lecz nie przewidywały tak złożonego stanu materii. Obecnie poparcie dla modelu superjonowego pochodzi głównie z symulacji dynamiki molekularnej ab initio, ponieważ bezpośrednia weryfikacja eksperymentalna w tak ekstremalnych warunkach pozostaje poza obecnymi możliwościami technologicznymi. Jądro wewnętrzne, o szacowanej temperaturze około 5400°C, jest najgorętszą częścią planety, a jego ruchy mają wpływ na długość dnia.

Badania te wpisują się w szerszy kontekst analiz dynamiki Ziemi. Odkrycia z Uniwersytetu Wuhan, opublikowane w Nature Communications, sugerują, że jądro wewnętrzne wibruje wokół swojej osi obrotu cyklicznie, co 8,5 roku, co jest związane z niewspółosiowością względem płaszcza Ziemi o grubości około 2900 km. Teoria ta kontynuuje ewolucję modeli dynamiki jądra, które wcześniej, na przykład w 2022 roku, obejmowały odkrycie sześciokrotnego cyklu super- i sub-rotacji, sprzecznego z wcześniejszymi modelami ciągłej super-rotacji.