В центре Земли горячее, чем мы думали

Температура близ центра Земли, по новым данным, равна 6 000°C — на тысячу градусов больше, чем показал аналогичный эксперимент, проведённый 20 лет назад.

Тем самым подтверждается правота геофизических моделей, которые говорят о том, что перепад температур между твёрдым ядром и мантией над ним должен составлять по меньшей мере 1 500°C, иначе невозможно объяснить существование геомагнитного поля.

Кстати, заодно удалось установить, почему ошиблись авторы предыдущего исследования.

Ядро Земли состоит в основном из шара жидкого железа с температурой 4 000°C и «плотностью» более 1,3 млн атмосфер. В этих условиях оно настолько жидкое, что его можно сравнить с водой в океанах. Лишь в самом центре планеты, где давление и температура ещё выше, железо переходит в твёрдую фазу. Анализ вызванных землетрясениями сейсмических волн, проходящих сквозь Землю, позволяет судить о толщине обоих ядер и даже о том, как с глубиной возрастает давление. Но эти волны ничего не говорят о температуре, которая оказывает большое влияние на движение материала внутри жидкого ядра и твёрдой мантии над ним. Более того, именно перепад температур между мантией и ядром считается главным фактором крупномасштабных термических перемещений, которые вместе с вращением Земли создают нечто вроде динамо-машины, порождающей магнитное поле планеты. Распределение температур внутри Земли лежит также в основе геофизических моделей, объясняющих возникновение и активную деятельность вулканов в таких местах, как Гавайи или Реюньон.

Выяснить температуру в центре Земли можно путём экспериментов с плавкой железа под разным давлением: алмазный пресс позволяет сжимать крошечные образцы до нескольких миллионов атмосфер, тогда как лазерный луч нагревает их до 4–5 тыс. градусов. Конечно, описать это в двух строках намного проще, чем осуществить в лаборатории: предстоит позаботиться о теплоизоляции образца, о том, чтобы он не реагировал со своим окружением и пр. К тому же разогреть железо до температуры центра Земли можно лишь на несколько секунд, а за это время не так-то просто понять, начало оно плавиться или нет.

Сотрудники Комиссариата ядерной энергетики Франции и европейского ускорительного комплекса ESRF в Гренобле (тоже Франция) разработали новую технологию, основанную на порождённом синхротроном интенсивном рентгеновском излучении: всего за секунду его дифракция позволяет определить, твёрд образец, жидок или частично расплавлен. В течение этой секунды можно удержать температуру и давление на постоянном уровне, а также предотвратить протекание химических реакций.

Исследователи довели температуру плавления железа до 4 800°C, а давление — до 2,2 млн атмосфер. Затем данные экстраполировали, чтобы выяснить температуру при давлении 3,3 млн атмосфер, характерном для границы между жидким и твёрдым ядром, и выяснили, что она должна составлять 6 000 ± 500°C. Значение может оказаться несколько иным, если железо испытывает неизвестный фазовый переход между измеренным и экстраполированным показателями.

Так почему же Райнхард Бёлер из Химического института Общества им. Макса Планка (ФРГ) и его коллеги в 1993 году сообщили о другой температуре — примерно на тысячу градусов ниже? Дело в том, что начиная с 2 400°C на поверхности образца начинается рекристаллизация, что приводит к динамическим изменениям кристаллической структуры твёрдого железа. Двадцать лет назад учёные определяли, расплавилось железо или нет, оптическим методом, и вполне возможно, что рекристаллизация была интерпретирована как плавление.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Подготовлено по материалам ESRF.