Звук в жидкости на полпути к ядру Земли

Ученые из Лаборатории динамики материалов центра RIKEN SPring-8 в сотрудничестве с коллегами из Института наук о Земле и жизни Токийского технологического института впервые измерили скорость звука в смесях жидкого железа и углерода в экстремальных условиях. Исследование, опубликованное в Nature Communications, позволяет установить ограничения на состав земного ядра.

Понимание состава жидкой части ядра — важная задача, так как оно дает ключи к формированию Земли. Известно, что ядро в основном состоит из расплавленного железа, но его плотность примерно на 10% меньше, чем у чистого железа. Ученые пытаются определить, какие легкие элементы, включая углерод, разбавляют железо. Для этого создается «каталог», связывающий скорость звука с составом материала и температурой, но измерения в условиях ядра (температуры >5000 K и давления в миллионы атмосфер) крайне сложны, особенно для жидкостей.

В новой работе исследователи использовали алмазные наковальни, лазерный нагрев и спектрометр неупругого рассеяния на SPring-8, чтобы измерить скорость звука в жидких железо-углеродных смесях. Достигнутые параметры (давление ~1.3 млн атмосфер, температура ~4000 K) примерно вдвое меньше, чем на границе внешнего ядра, но позволили выполнить экстраполяцию. «Это дает важное понимание: максимум около 1.2% массы ядра может составлять углерод. Значит, в ядре должны присутствовать и другие легкие элементы, такие как кремний, кислород, сера или водород», — пояснил ведущий автор Йоичи Накадзима.