Китайські моделювання припускають суперіонічний стан внутрішнього ядра Землі

Надглибинні надра нашої планети, зокрема внутрішнє ядро, можуть перебувати у стані, який вчені називають суперіонічним. Цей екстремальний стан виникає під впливом колосального тиску та високої температури, що робить його аналогічним гіпотетичному суперіонічному льоду, який, як вважається, існує у центрах газових гігантів, таких як Уран та Нептун. Внутрішнє ядро Землі — це залізне сферичне тіло з радіусом приблизно 2500 кілометрів, що містить домішки нікелю та легких елементів, зокрема кисню, сірки або вуглецю. Це відкриття ставить під сумнів традиційні уявлення про суто тверду структуру найглибших шарів планети.

Дослідницька група з Китайської академії наук (CAS) застосувала передові комп'ютерні моделювання, що ґрунтуються на принципах квантової механіки, для відтворення умов у центрі Землі. Ці високоточні симуляції продемонстрували, що залізо, леговане легкими елементами, такими як водень, кисень та вуглець, трансформується у суперіонічний стан під тиском і температурою внутрішнього ядра. У цій структурі легкі елементи здатні вільно переміщуватися, подібно до рідини, всередині стабільної, впорядкованої кристалічної ґратки, сформованої атомами заліза. Це явище, коли частина речовини поводиться як рідина, а інша як тверде тіло, є ключовим для нової моделі.

Геофізик Ю Хе, який очолював дослідницьку групу в CAS, охарактеризував це відкриття як «досить незвичайне». Наукова спільнота припускає, що саме ця суперіонічна структура може пояснити сейсмічно зафіксовану нижчу швидкість зсувних хвиль, що, своєю чергою, пояснює відносну «м'якість» внутрішнього ядра. Наприклад, нещодавні дослідження показали, що атоми заліза у внутрішньому ядрі можуть мінятися позиціями, роблячи його більш пластичним, схожим на свинець, а не на суцільну тверду масу. Ця модель також потенційно може пролити світло на структурні зміни у внутрішньому ядрі з плином часу та на механізми генерації конвекційних потоків, відповідальних за створення магнітного поля Землі.

Хоча перші експериментальні спроби включали зразки, опромінені лазером за умов високого тиску і температури, наразі основна підтримка цієї гіпотези походить саме від молекулярно-динамічних симуляцій. Пряме експериментальне підтвердження в таких екстремальних умовах залишається технічно неможливим, що робить суперіонічний стан провідною науковою гіпотезою станом на кінець 2025 року. Для порівняння, відомо, що внутрішнє ядро, яке почало кристалізуватися 1–1,5 мільярда років тому, має радіус близько 1220 тис. км, а його густина сягає 13100 кг/м³. Відкриття Інге Леманн у 1936 році, яка обґрунтувала існування твердого внутрішнього ядра аналізом сейсмічних хвиль, заклало основу для сучасних досліджень, які тепер вивчають його внутрішню фазову структуру.