Физици от Ливърморската национална лаборатория „Лорънс“ (LLNL) в САЩ предприеха пътуване до центъра на Земята, макар и за кратък миг.
Вместо да пробиват хиляди километри скали, те обстрелваха желязо с мощни лазери в инсталация за термоядрен синтез, за да измерят неговия вискозитет. Резултатите от експериментите са публикувани в списание Nature Communications.
Националният комплекс за лазерни инсталации (NIF) е най-мощната лазерна система в света, използвана за изследвания в областта на термоядрения синтез и ядрените оръжия.
Този път обаче тя е приложена за чисто мирни цели – пресъздаване на екстремните условия, които съществуват във вътрешното ядро на нашата планета.
Целта е била да се разбере как желязото променя свойствата си при такова огромно налягане.
„Желязото е основен компонент на ядрото на Земята и на други планети от земен тип. Но поведението му в условията на вътрешното ядро все още не е добре проучено. Нашите резултати предоставят важни експериментални данни за реологията на желязото. Тоест физиката на неговата деформация и течливост – при условия, близки до тези в земното ядро“, обяснява физикът от LLNL Йон Дже Ким=
„Досега измерванията на реологията на желязото при температурите и наляганията, характерни за вътрешното ядро, бяха изключително трудни. Нито един лабораторен метод не позволяваше едновременно да се обхване целият този диапазон от параметри за достатъчно дълго време, за да се развие пластичност на материала, като същевременно се осигури възможност за диагностика в реално време“, добавя неговата колежка Гая Риги.
По време на подготовката за експериментите тя е изчислила множество конфигурации на мишените и форми на лазерните импулси.
Било е необходимо да се постигне твърда увереност, че налягането ще достигне 3 милиона атмосфери, а температурата – 5000°C, без материалът да се разтопи.
Обстрел с лазери от всички страни
Лазерите са били насочени към квадратна мишена с размери 5,35 мм, състояща се от няколко слоя различни материали, като повърхността на желязото е била набраздена.
Със специални подсветващи лъчи е индуцирано твърдо рентгеново лъчение, за да се получи изображение на мишената и да се оцени нарастването на неравностите във всеки един момент.
Чрез измерване на скоростта на движение на задната повърхност на мишената с допълнителен оптичен лазер (VISAR) е определяно и достигнатото налягане.
Получените резултати са обработени чрез радиационно-хидродинамични и молекулярно-динамични симулации, за да се разбере какво се случва с желязото на атомно ниво.
Оказва се, че под въздействието на екстремното налягане в желязото настъпва фазов преход – преструктуриране на кристалната решетка, което допълнително раздробява неговата микроструктура на по-малки зърна.
Тези промени влияят на реологичните му свойства. Установено е, че високобаричната ε-фаза на желязото, получена от изходен монокристал α-желязо, проявява по-голяма якост, отколкото при други ориентации на кристала – нещо, което е точно обратното при нормални условия.
Твърдото ядро се оказва по-меко
Измереният вискозитет на облъченото желязо се оказва с 12 до 16 порядъка по-нисък, отколкото би трябвало да бъде в ядрото според геофизичните модели.
Резултатите от експеримента обаче не могат да се пренесат директно към земното ядро, тъй като в лабораторията скоростта на деформация е била мигновена, докато в центъра на Земята тези условия са постоянни.
„Разбирането на якостта на материалите и нейната зависимост от микроструктурата в условията на вътрешното ядро на Земята е важно, тъй като това може да повлияе на сеизмичната анизотропия. Тоест на начина, по който сеизмичните вълни се разпространяват през вътрешното ядро. Това от своя страна е свързано с динамиката на ядрото и историята на магнитното поле на нашата планета“, обобщава Ким.
Следващата цел на изследователите е да проучат зоната на смесване между вътрешното и външното ядро на Земята.
