Гипернапряженные условия во внешнем ядре Земли воссозданы в лаборатории.

В тысячах километров под поверхностью Земли, в условиях экстремального давления и температуры, можно найти ядро ​​планеты. Есть внутреннее ядро, состоящее из твердой никелево-железной сферы, которая излишне вращается внутри внешнего ядра, где железо и никель находятся в жидком состоянии.

Условия этого внешнего ядра теперь были воссозданы в лаборатории командой физика Себастьяна Меркеля из Университета Лилля во Франции — таким образом, чтобы ученые могли наблюдать структурную деформацию железа.

Это не только имеет значение для понимания нашей планеты, но может помочь нам лучше понять, что происходит, когда частицы железа сталкиваются в космосе.

«Мы не создавали существенных условий исключительно внутри компании», Физик Арианна Глисон сказала: Из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. «Но мы достигли условий внешнего ядра планеты, что действительно круто».

В нормальных земных условиях кристаллическая структура железа имеет вид A кубическая решетка. Атомы расположены в сетке с атомами в углу каждого куба и одним в центре. Когда железо сжимается под очень высоким давлением, эта решетка меняет форму и деформируется в шестиугольная структура. Это позволяет разместить больше атомов в том же объеме пространства.

Но трудно сказать, что происходит даже при более высоких давлениях и температурах — например, в ядре Земли. Однако в последние годы лазерная технология продвинулась до такой степени, что в лабораторных условиях небольшие образцы могут подвергаться воздействию экстремальных условий, таких как давление и температура, характерные для белых карликов.

Команда SLAC применила два лазера. Первый — это оптический лазер, который стреляет в микроскопический образец железа и подвергает его удару, вызывающему экстремальное давление и высокую температуру.

Давление во внешнем ядре Земли колеблется от 135 до 330 гигапаскалей (от 1,3 до 3,3 миллиона атмосфер), а температура — от 4000 до 5000 К (от 3727 до 4727 ° C, или от 6740 до 8540 ° F). Давление и температуры до 4070 К. .

Следующей частью, возможно самой сложной, было измерение атомной структуры железа во время этого процесса. Для этой цели команда использовала лазер без рентгеновского излучения линейного ускорителя с когерентным источником света (LCLS), который исследовал образец при включении лазерного излучения.

«Мы смогли произвести измерение за миллиардную долю секунды», Глисон сказал. «Замораживание атомов там, где они находятся, за эти наносекунды — это действительно захватывающе».

Полученные изображения, сгруппированные в последовательность, показали, что железо реагирует на дополнительное напряжение, вызванное этими условиями, двойникованием. Это происходит, когда кристаллическая решетка становится настолько компактной, что некоторые точки решетки являются общими для нескольких кристаллов симметричным образом.

(С. Меркель / Лилльский университет, Франция)

Для железа в условиях внешнего ядра Земли это означает, что атомная структура сдвинута так, что шестиугольники вращаются примерно на 90 градусов. По словам исследователей, этот механизм позволяет металлу сопротивляться наконечникам.

«Двойное образование позволяет железу быть невероятно прочным — более сильным, чем мы изначально думали — до того, как оно начнет пластически течь в гораздо более длительных временных масштабах», Глисон сказал.

Теперь, когда мы знаем, как железо ведет себя в этих условиях, эту информацию можно использовать в моделях и симуляциях. Это имеет важные последствия, например, для нашего понимания космических столкновений. Ядро Земли аккуратно лежит внутри планеты, но есть астероиды настолько металлические, что мы думаем, что это обнаженные, голые ядра планет, которые нарушают их формирование.

Эти объекты могут сталкиваться с другими объектами, что может деформировать железную структуру в них. Теперь мы лучше понимаем, как это происходит. И, конечно же, теперь мы знаем больше о нашей планете.

«Будущее теперь светлое, потому что мы разработали способ проводить эти измерения», — сказал он. Глисон сказал.

«Теперь мы можем дать высокую оценку некоторым действительно базовым физическим моделям механизмов деформации. Это помогает повысить предсказательную силу, которой нам не хватает для моделирования реакции материалов в экстремальных условиях».

Поиск был опубликован в сообщения физического обзора.