Низкая плотность земного ядра объясняется примесями кислорода и кремния

В ходе аккреции и дифференциации Земли химические взаимодействия в силикатном магматическом океане с жидким железом привели к попаданию примесей кремния и кислорода в то, что впоследствии стало жидким внешним ядром. В отличие от предыдущих исследований, предполагавших очень низкие концентрации кремния и кислорода (менее 1% по массе) в жидком железе, Цуно и коллеги обнаружили, что у основания магматического океана глубиной 1200 км эти легкие элементы могут достигать концентраций до 5% кислорода и 8% кремния по массе одновременно. Такие уровни примесей снизили бы плотность внешнего ядра, объясняя так называемый «дефицит плотности», выявленный ранее, согласно которому внешнее ядро примерно на 10% менее плотное, чем чистый железо-никелевый сплав.

Исследователи также предполагают, что на современной границе ядро-мантия высокие температуры способствуют дополнительному проникновению кремния и кислорода в ядро, создавая легкий, обогащенный элементами плавучий слой на вершине жидкого внешнего ядра. Они полагают, что свидетельства существования такого слоя могли быть обнаружены в сейсмических исследованиях.

С помощью пресса с несколькими наковальнями авторы подвергли смесь железа, силиката магния, диоксида кремния и оксида железа вюстита давлению в 25 гигапаскалей и температурам от 2700 до 3080 Кельвинов. Они установили, что при температурах ниже 3000 Кельвинов кремний и кислород в железном расплаве были взаимоисключающими, а их концентрации не превышали низких уровней, выявленных в предыдущих работах. Однако выше 3000 Кельвинов присутствие кислорода, напротив, усиливало разделение кремния в железе, при этом концентрации обоих элементов возрастали.