Элементарно: Точный анализ ядра Земли с помощью молекулярно-динамического моделирования

Ученые из Китайской академии наук в Пекине и Калифорнийского университета в Дэвисе впервые применили метод двухфазной молекулярной динамики из первых принципов для точного вычисления коэффициента разделения углерода и других легких элементов между расплавленным железом и силикатным расплавом. Это позволило преодолеть ключевую неопределенность в оценках содержания углерода в ядре Земли, которое, согласно новым данным, составляет от 0,1% до 0,7%.

Определение точного состава земного ядра и мантии, сформировавшихся в первые 30 млн лет после образования Солнечной системы, крайне сложно из-за невозможности прямых измерений. Ранее оценки содержания углерода в ядре различались в 20 раз, отчасти из-за неизвестного коэффициента его разделения между металлом и силикатами. Новый вычислительный метод, сочетающий квантово-механическое описание электронов с классическим описанием атомных ядер, позволил впервые рассчитать этот параметр из первых принципов, заполнив критический пробел в знаниях.

«Ключом к нашему решению было вычисление коэффициента разделения из первых принципов, поскольку экспериментальных данных о растворимости углерода в жидком железе, сосуществующем с силикатным расплавом в условиях недосыщения углеродом, не существует», — отмечает профессор Цин-Чжу Инь. Ученые также определили коэффициенты для азота, водорода, гелия, фосфора, магния, кислорода и кремния. Хотя ядро является крупнейшим резервуаром углерода на Земле, его вклад (0,1–0,7%) в решение проблемы дефицита плотности ядра незначителен по сравнению с такими основными легкими элементами, как кремний, кислород и сера.

Каждое моделирование занимало около трех месяцев, а общий объем вычислений для 24 прогонов, представленных в работе, составил 72 месяца. В будущем команда планирует смоделировать более экстремальные условия, соответствующие поздней стадии гигантских столкновений при формировании планет (500–1000 ГПа, 5000–7000 K), а также изучить разделение элементов между твердым внутренним и жидким внешним ядром. Полученные данные также могут быть применены для изучения формирования Меркурия, Венеры и Марса.