Новое исследование, опубликованное 4 сентября 2025 года в журнале Nature Communications, предполагает наличие тесной связи между процессом кристаллизации внутреннего ядра Земли и его углеродным составом. Ученые из Оксфордского университета, Университета Лидса и Университетского колледжа Лондона, используя передовые симуляции, выдвинули гипотезу, что концентрация углерода около 3,8% в ядре могла стать катализатором его затвердевания.
Эти выводы указывают на то, что углерод присутствует в ядре Земли в большем количестве, чем предполагалось ранее, и сыграл ключевую роль в формировании твердого внутреннего ядра. Твердое внутреннее ядро играет важнейшую роль в поддержании магнитного поля нашей планеты, которое служит щитом от вредного солнечного излучения. Открытия, сделанные в рамках данного исследования, предоставляют ценные сведения о глубинных процессах, происходящих внутри Земли, и имеют широкие последствия для планетарных наук.
В ходе исследования применялись компьютерные симуляции на атомном уровне для моделирования процесса кристаллизации расплавленного железа в условиях экстремальных температур и давлений. Результаты моделирования показали, что присутствие углерода ускоряет зарождение твердого железа, тем самым способствуя формированию внутреннего ядра. В отличие от этого, такие элементы, как кремний и сера, которые также были исследованы в симуляциях, продемонстрировали тенденцию к замедлению процесса кристаллизации.
Ранее считалось, что для кристаллизации чистого железа требуется значительное переохлаждение, достигающее 800-1000 градусов Цельсия. Однако, реальные геологические данные указывают на гораздо меньшее переохлаждение, не превышающее 250 градусов Цельсия. Именно это несоответствие побудило исследователей изучить влияние различных примесей на процесс кристаллизации. Моделирование показало, что при содержании углерода в 3,8% требуемое переохлаждение снижается до 266 градусов Цельсия, что идеально соответствует наблюдаемым данным и объясняет формирование внутреннего ядра Земли и поддержание ее магнитного поля.
Без достаточного количества углерода, как предполагают ученые, твердое внутреннее ядро могло бы и вовсе не сформироваться. Эти результаты не только проливают свет на химию глубоких недр Земли, недоступных для прямого изучения, но и помогают разрешить давние споры о возрасте внутреннего ядра. Понимание роли углерода в этом процессе открывает новые горизонты в изучении эволюции планет и механизмов, формирующих их уникальные характеристики, включая магнитные поля, которые жизненно важны для существования жизни.
Исследование было поддержано грантом от Совета по естественным наукам Великобритании (NERC).