Учёные из Великобритании сделали прорыв в понимании того, как сформировалось внутреннее ядро Земли. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что углерод сыграл решающую роль в кристаллизации ядра миллиарды лет назад. Это открытие меняет представление о строении нашей планеты и её магнитном поле.

Загадка ядра Земли

Внутреннее ядро Земли — это твёрдая железосодержащая сфера в центре планеты диаметром около 2400 км. Оно окружено жидким внешним ядром, которое постепенно остывает, позволяя внутреннему ядру расти за счёт кристаллизации. Но как именно этот процесс начался, оставалось загадкой. Расчёты показывали, что для замерзания чистого железа в условиях ядра требовалось бы переохлаждение на 800–1000 °C, чего в истории Земли не происходило. Реальная разница температур, по оценкам учёных, не превышала 250 °C.

Роль углерода

Команда учёных под руководством Альфреда Уилсона из Университета Лидса провела атомные компьютерные симуляции, чтобы смоделировать процесс кристаллизации в условиях экстремального давления и температуры ядра. Они исследовали влияние различных примесей — кремния, серы, кислорода и углерода — на способность железа образовывать кристаллы.

Результаты оказались неожиданными:

  • Кремний и сера замедляют кристаллизацию, усложняя процесс.
  • Кислород не оказывает значительного влияния.
  • Углерод, напротив, ускоряет замерзание железа, снижая необходимую степень переохлаждения.

Модели показали, что при содержании углерода в ядре на уровне 2,4% переохлаждение составляет около 420 °C, а при 3,8% — всего 266 °C. Именно последний вариант наиболее точно соответствует реальным условиям, при которых внутреннее ядро могло начать формироваться.

Почему это важно?

Открытие указывает, что в ядре Земли содержится значительно больше углерода, чем считалось ранее. Этот элемент не только помог ядру кристаллизоваться, но и сыграл ключевую роль в формировании магнитного поля планеты. Магнитное поле защищает Землю от солнечного ветра и космических лучей, создавая условия для существования жизни.

«Мы получили редкую возможность заглянуть в химию области Земли, куда человечество никогда не сможет добраться напрямую», — отметил Альфред Уилсон. По его словам, углерод стал «секретным ингредиентом», который позволил нашей планете обрести своё нынешнее строение.

Как проводилось исследование?

Учёные использовали передовые методы компьютерного моделирования, чтобы воссоздать условия в центре Земли: давление в миллионы раз выше атмосферного и температуры, достигающие 6000 °C. Они анализировали, как примеси влияют на поведение атомов железа, моделируя процесс кристаллизации шаг за шагом. Это позволило точно определить, какие элементы и в каком количестве могли запустить формирование твёрдого ядра.

Что дальше?

Открытие поднимает новые вопросы о составе ядра Земли и его эволюции. Учёные планируют:

  • Провести дополнительные симуляции, чтобы уточнить долю углерода и других элементов в ядре.
  • Изучить, как углерод повлиял на динамику магнитного поля Земли в прошлом.
  • Исследовать, как подобные процессы могли происходить на других планетах, таких как Марс или Меркурий.

Вкратце…

Новое исследование раскрывает, что углерод — ключевой элемент, благодаря которому внутреннее ядро Земли начало формироваться миллиарды лет назад. Содержание углерода на уровне 3,8% позволило железу кристаллизоваться при реальных температурах, что определило структуру нашей планеты и её магнитное поле. Это открытие не только углубляет наше понимание Земли, но и открывает новые горизонты для изучения других планет.