Температура плавления и фазовая стабильность железа в условиях, подобных земному ядру, проливают свет на геодинамику Земли

Железо является одним из основных элементов внутреннего ядра Земли, которое характеризуется чрезвычайно высокими температурами и давлением. Определение поведения железа в этих экстремальных условиях может помочь углубить понимание структуры и геодинамики нашей планеты. Исследователи из Европейского центра синхротронного излучения в Гренобле, Парижского политехнического института и других институтов по всему миру провели исследование, изучив температуру плавления и фазовую стабильность ударно-сжатого железа при высоких температурах и давлениях с использованием сверхбыстрой рентгеновской абсорбционной спектроскопии.

Их результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, проливают новый свет на кривую плавления и структурную фазу железа в экстремальных условиях. Поскольку железо — основной компонент ядра Земли, его свойства, такие как температура плавления при давлениях, характерных для границы внутреннего ядра, задают верхний предел температуры плавления на этой границе, разделяющей твердое внутреннее и жидкое внешнее ядро. Определение этой температуры, в свою очередь, помогает в изучении геодинамики, давая представление о процессе кристаллизации внешнего ядра с образованием внутреннего.

Эксперимент был проведен в Европейском центре синхротронного излучения во Франции с использованием новой установки высокомощных лазеров. Высокомощный лазер создавал ударную волну в образце железа, а синхронизированные с ним сверхбыстрые (≈100 пс) рентгеновские импульсы фиксировали спектр абсорбции железа в момент пикового давления и температуры. Этот метод позволил измерить объемную температуру железа, что является сложной задачей, особенно для непрозрачных металлов.

Исследователи измерили фазовую диаграмму железа в условиях, имитирующих глубины Земли, и смогли экстраполировать температуру его плавления на границе внутреннего ядра при давлении 330 ГПа. Ключевым открытием стало определение, что фаза чистого железа при 240 ГПа и 5345 К, непосредственно перед плавлением, является гексагональной плотноупакованной (ГПУ), а не объемно-центрированной кубической (ОЦК), как предсказывали многие теоретические работы. Этот результат накладывает новые ограничения на кривую плавления железа и опровергает часть ранних теоретических прогнозов.

Полученные данные важны для интерпретации сейсмологических наблюдений, таких как размягчение сдвиговых волн в условиях ядра. Хотя в данном исследовании фаза ОЦК была исключена для чистого железа, возможность её стабилизации в сплавах железа с более легкими элементами, характерных для реального ядра, не отвергается. В будущем аналогичные эксперименты с железными сплавами помогут лучше понять состав и свойства ядра Земли, структуру железокаменных экзопланет (например, суперземель), а также могут внести вклад в исследования термоядерного синтеза, где железо является основным компонентом нержавеющей стали для установок инерциального удержания плазмы.