Колеблется ли и смещается ли внутреннее ядро Земли аномально?

Исследователи из Университета Эхиме применили теоретический подход физики минералов, основанный на методах ab initio, чтобы определить вязкость гексагонального плотноупакованного железа при экстремальных давлениях и температурах, соответствующих условиям внутреннего ядра Земли. Полученные результаты противоречат геофизическим наблюдениям больших флуктуаций скорости вращения внутреннего ядра. Рассчитанная вязкость также исключает возможность его трансляционного движения и указывает на то, что динамика внутреннего ядра, вероятно, управляется твердотельной конвекцией.

Внутреннее ядро, находящееся на глубине 5150 км, состоит в основном из твердого железа при давлениях 329–364 ГПа и температурах ~5000–6000 K. Сейсмологические наблюдения выявили его сейсмическую анизотропию, вызванную ориентацией кристаллов железа, которая может быть следствием деформации. Также были зафиксированы различия в анизотропии между восточным и западным полушариями ядра и предполагаемые "отчетливые флуктуации скорости его вращения". Ранее геодинамическое моделирование объясняло асимметрию трансляционным движением ядра, а вариации длины дня — гравитационной связью между мантией и слабым ядром. Однако эти модели опирались на плохо ограниченную вязкость железа в условиях центра Земли.

Из-за технической сложности прямых измерений в лаборатории ученые использовали атомарные компьютерные моделирования на основе квантовой механики (ab initio методы) для количественной оценки атомной диффузии в гексагональном плотноупакованном (ГПУ) железе — наиболее вероятной фазе железа во внутреннем ядре. Этот подход позволил вычислить энергию образования и миграции точечных дефектов и смоделировать предельное поведение ползучести ГПУ-железа.

Моделирование показало, что вязкость ГПУ-железа ниже, чем предполагалось в предыдущих геофизических моделях, и определяется переносом сдвига через кристаллическую решетку — механизмом деформации, известным как "дислокационная ползучесть". Это означает, что пластическое течение железа может способствовать формированию предпочтительной ориентации кристаллов и, следовательно, сейсмической анизотропии внутреннего ядра.

Полученная низкая вязкость согласуется с сильной связью между внутренним ядром и мантией, что соответствует наблюдениям лишь небольших флуктуаций скорости вращения. Кроме того, результаты предсказывают, что внутреннее ядро слишком слабое для трансляционного движения, указывая на иное, пока неизвестное происхождение его асимметричной структуры. Механические напряжения всего в десятки паскалей достаточны для деформации ГПУ-железа при крайне низких скоростях деформации, что сравнимо с силами, способными двигать конвекцию. Соответствующая вязкость не постоянна, а зависит от приложенного напряжения (неньютоновская реология), и именно это нелинейное поведение, вероятно, управляет динамикой внутреннего ядра Земли.

Исследование опубликовано в Scientific Reports.