Теоретический подход к физике минералов, основанный на методах ab initio, был принят для определения вязкости гексагонального плотно упакованного железа при экстремальных давлениях и температурах, соответствующих внутреннему ядру Земли. Результаты исследования опровергают геофизические наблюдения значительных флуктуаций скорости вращения внутреннего ядра. Полученная вязкость также исключает перемещение внутреннего ядра и подтверждает, что его динамика может обусловливаться твёрдотельной конвекцией.
Внутреннее ядро Земли, находящееся на глубине 5150 км ниже поверхности планеты, в основном состоит из твёрдого железа и подвергается воздействию давлений от 329 до 364 ГПа (в 3,3-3,6 млн раз выше атмосферного) и температур от ~3700 до ~4700 С. Сейсмологические наблюдения ранее показали, что скорость сейсмических волн, создаваемых землетрясениями, сильно зависит от их направления при прохождении через внутреннее ядро; этот феномен известен под названием “сейсмическая анизотропия”. Она связана с выравниванием кристаллов железа, которое может быть вызвано деформацией во внутреннем ядре. Сообщалось также о более специфических вариациях сейсмической анизотропии между восточным и западным полушариями внутреннего ядра. Кроме того, в других сейсмических исследованиях говорится об «отчётливых колебаниях скорости вращения внутреннего ядра» по отношению к скорости вращения земной коры и мантии. Хотя предыдущие геодинамические модели прогнозируют, что разница в сейсмической анизотропной структуре между полушариями ядра может быть объяснена «поступательным движением внутреннего ядра» и что вариации в течение суток могут быть объяснены гравитационной связью между мантией и слабым внутренним ядром, причины и механизмы этих загадочных особенностей остаются неясными, поскольку их моделирование опирается на плохо ограниченную «вязкую прочность» железа в экстремальных условиях центра Земли.
Вязкость материалов зависит от того, как кристаллы железа подвергаются пластической деформации под воздействием механического напряжения, и механизмы деформации, называемые ползучестью металла, обычно ожидаются в условиях высоких температур и малых напряжений. Ползучесть твёрдых кристаллов обычно обусловлена движением несовершенных расположений атомов в кристаллических структурах, называемых дефектами решётки, и, в частности, ограничена «атомной диффузией» в условиях внутреннего ядра. Такие условия накладывают технические трудности на лабораторные эксперименты, делая измерения вязкости внутреннего ядра в настоящее время невозможными. Вместо этого доктор Себастьян Риттербекс и профессор Такуя Цутия из Исследовательского центра геодинамики университета Эхиме применили компьютерное моделирование атомного масштаба, основанное на теории квантовой механики и использующее методы ab initio, чтобы количественно определить атомную диффузию в гексагональном плотно упакованном железе (HCP) — в фазе, в которой с наибольшей вероятностью находится стабильное железо во внутреннем ядре.
Этот теоретический подход к физике минералов позволяет очень точно вычислять электронные свойства и химические связи и, таким образом, является весьма мощным в исследовании свойств материалов в экстремальных условиях, которые трудно поддаются экспериментальному исследованию. В данном исследовании была применена методика расчета самодиффузии железа через энергию образования и миграции точечных дефектов. Полученные результаты применяются к макроскопическим моделям внутрикристаллической пластичности для численного расчёта предельной скорости ползучести железа HCP. Проведённое моделирование свидетельствует о том, что вязкость железа HCP ниже, чем постулировалось в предыдущих геофизических моделях, и определяется переносом сдвига через кристаллическую решётку — механизмом пластической деформации, известным как «дислокационная ползучесть», что может привести к формированию кристаллографических преимущественных ориентаций. Это говорит о том, что пластический поток железа HCP действительно может способствовать выравниванию кристаллов и, следовательно, сейсмической анизотропии во внутреннем ядре.
Полученные результаты проливают новый свет на загадочные свойства внутреннего ядра. Исследователи показали, что низкая вязкость железа HCP, полученная с помощью теоретического подхода к физике минералов, согласуется с сильной связью между внутренним ядром и мантией, совместимой с геофизическими наблюдениями небольших флуктуаций скорости вращения внутреннего ядра. Кроме того, результаты предсказывают, что внутреннее ядро слишком слабо, чтобы двигаться поступательно, а это означает, что полусферическая асимметричная структура, вероятно, имеет другое, пока что неизвестное происхождение. Однако, механических напряжений в десятки Па достаточно для деформирования железа HCP путем дислокационной ползучести при чрезвычайно низких скоростях деформации, сравнимых с потенциальными силами, способными вызвать внутреннюю конвекцию ядра. Связанная с этим вязкость не является постоянной величиной, а зависит от механического напряжения, приложенного к внутреннему ядру (то есть ведёт себя, как неньютоновская жидкость). Поэтому ожидается, что это нелинейное деформационное поведение будет определять динамику внутреннего ядра Земли.
В будущем большее число количественных моделей, построенных с использованием свойства вязкости железа HCP, полученных в этом исследовании, может улучшить понимание внутреннего ядра Земли.
Исследование опубликовано в журнале “Scientific Reports”
Перевод: Вера Толмачёва.
Редакторы: Елена Королёва, Александр Афанасьев.
