Ядро Земли, самый глубоко расположенный слой нашей планеты, характеризуется экстремально высокими давлением и температурой. Оно состоит из жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра.

Внутреннее ядро было сформировано и растет за счет затвердевания жидкого железа на границе внутреннего ядра. Внутреннее ядро имеет меньшую плотность, по сравнению с чистым железом, поэтому считается, что в его составе присутствуют некоторые легкие элементы.

В новом исследовании ученые во главе с профессором Хе Ю (He Yu) из Института геохимии Китайской академии наук нашли, что внутреннее ядро Земли представляет собой не обычное твердое вещество, а состоит из подрешетки твердого железа, в которой движутся, подобно жидкости, легкие элементы – состояние, известное как суперионное состояние. Подобные жидкости легкие элементы внутри подрешетки железа демонстрируют высокие коэффициенты диффузии в условиях внутреннего ядра.

Суперионное состояние, которое является промежуточным состоянием между твердым и жидким состояниями, широко распространено, если речь идет о недрах планет. Используя численное моделирование с высокими давлением и температурой, основанное на теории квантовой механики, исследователи нашли, что некоторые сплавы систем Fe-H, Fe-C и Fe-O переходили в суперионное состояние при условиях, соответствующих условиям внутреннего ядра Земли.

В суперионных сплавах железа легкие элементы становятся неупорядоченными и диффундируют, как в жидкости, в кристаллической решетке. В то же время атомы железа, формирующие решетку, остаются упорядоченными и вибрируют относительно своих позиций в решетке, формируя жесткий каркас. Коэффициенты диффузии атомов C, H и O в суперионных сплавах железа близки к коэффициентам диффузии этих элементов в жидком железе.

Одна из проблем, связанных с внутренним ядром, состоит в том, что оно является слишком мягким и характеризуется довольно низкой скоростью распространения сдвиговых волн. Исследователи рассчитали скорости распространения сейсмических волн в таких суперионных сплавах железа и нашли существенное снижение скорости сдвиговых волн. «Наши результаты хорошо согласуются с результатами сейсмических наблюдений. Элементы, ведущие себя, подобно жидкости, сообщают ядру эту «мягкость», — сказал соавтор Сун Шихуан (Sun Shichuan).