Результаты моделирования показывают, что внутреннее ядро Земли находится в суперионном состоянии

Внутреннее ядро нашей планеты, представляющее собой железную сферу с радиусом около 2 500 километров, предположительно существует в состоянии, которое выходит за рамки традиционного понимания материи. Это состояние, известное как сверхтвердое (суперионное), возникает при экстремальном давлении и температуре в центре Земли и имеет аналогию с гипотетическим сверхтвердым льдом, формирующимся в недрах ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун.

Исследовательская группа из Китайской академии наук (CAS) применила сложные компьютерные симуляции, основанные на теории квантовой механики, для моделирования условий в земном центре. Модели показали, что сплавы железа, легированные легкими компонентами, включая водород, кислород и углерод, претерпевают фазовый переход в сверхтвердое состояние. В этой структуре легкие элементы демонстрируют высокую подвижность, перемещаясь подобно жидкости, в то время как тяжелые атомы железа сохраняют упорядоченную кристаллическую решетку, формируя твердый каркас.

Геофизик Ю Хэ из CAS, руководитель исследовательской группы, охарактеризовал это состояние как «весьма ненормальное». Ученые полагают, что именно эта структура может объяснить сейсмически наблюдаемую пониженную скорость поперечных волн, что придает внутреннему ядру его относительную «мягкость». Модель с подвижными легкими ионами согласуется с геофизическими данными, в отличие от ожидаемых характеристик чистого железа или стандартных сплавов.

Данная модель потенциально проясняет долгосрочные структурные изменения ядра и механизмы конвекционных токов, которые являются движущей силой генерации магнитного поля планеты. Хотя прямое экспериментальное подтверждение в условиях, имитирующих ядро, остается технологически сложной задачей, основная поддержка этой гипотезы исходит от *ab initio* молекулярно-динамических симуляций, опубликованных в журнале Nature в феврале 2022 года.

Сейсмические данные, собранные десятилетиями наблюдений, давно указывали на то, что внутреннее ядро менее жесткое, чем предполагалось для сплошного железа. Исследования, подобные работе команды CAS, подтверждают, что диффузия легких элементов в кристаллической решетке железа при условиях внутреннего ядра соответствует замедлению S-волн. Это явление, когда ионы железа остаются упорядоченными, а легкие элементы диффундируют с коэффициентами, сопоставимыми с жидким железом, формирует ключевой элемент этой научной парадигмы.