Недавно американские ученые смогли рассчитать, как ведет себя оксид железа (II) при огромных значениях температуры и давления. Именно в таких условиях данное соединение существует в верхнем слое земного ядра. Оказалось, что там его свойства кардинально изменяются — например, он, будучи типичным изолятором, в земных недрах становится проводником.
Земное ядро, как это следует из названия, является центром нашей планеты. Напомню, что глубина его залегания составляет 2900 километров, а средний радиус сферы — 3,5 тысячи километров. Оно разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 километров и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 километров, между которыми иногда выделяется переходная зона. По расчетам ученых, температура в центре ядра Земли достигает 5 тысяч градусов Цельсия. Плотность земного ядра составляет около 12,5 тонн на кубический метр, давление в его центре достигает 361 Гпа, а общая масса ядра примерно равна 1,932×1024 килограммов. В общем, настоящая преисподняя.
По общепринятым на данный момент гипотезам, самым распространенным элементом земного ядра является железо. Однако оно присутствует там не в чистом виде, а в форме различных соединений. Из них, по расчетам ученых, больше всего проходится на долю оксида железа (II). Напомню, что это соединение, известное в пищевой промышленности как пищевой краситель E172, представляет собой порошок черного цвета, который не реагирует с водой, а при нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь.
Но что самое важное — в обычных условиях условиях оксид железа (II) не проводит электричества, то есть является изолятором. Однако уже давно было известно, что при сильном нагревании и большом давлении его свойства могут изменяться. А ведь и то, и другое присутствуют в земном ядре, да еще как! Логично предположить, что обычно "равнодушный" к электричеству FeO в таких адских условиях может стать хорошим проводником.
Читайте также: Кто разогревает земное ядро?
Эту гипотезу решили проверить американский ученый Роналд Коэн и его коллеги. Они изучили поведение FeO при давлении 1,4 миллиона атмосфер и температуре 2,2 тысячи градусов Цельсия — считается, что значения этих параметров на границе мантии и ядра именно таковы. Конечно же, проверка была не экспериментальной — подобные условия практически невозможно создать в лаборатории. Она представляла собой расчет, произведенный с помощью суперкомпьютера.
Данное исследование показало, что уже при таких значениях температуры и давления оксид железа (II) спокойно становится проводником. Но вот что особенно интересно: если ранее считалось, что уже при 690 тысячах атмосфер и 1,6 тысяче градусов Цельсия данное вещество претерпевает структурные изменения (то есть изменяется форма его кристаллической решетки), то сейчас выяснилось, что этот переход происходит без структурных перестроек. Иначе говоря, FeO может становиться изолятором или проводником при достаточно высоких значениях давления и температуры, не меняя взаимное расположение атомов в своей кристаллической решетки.
"При высокой температуре, атомы в кристалле FeO формируют такую же кристаллическую решетку, что и атомы в кристалле обычной поваренной соли, NaCl. Как и соль, при "комнатных" условиях оксид железа может служить хорошим изолятором, он не проводит электричества", — комментирует результаты своего компьютерного эксперимента сам г-н Коэн.
Он также отмечает, что: " в некоторых предыдущих работах было показано, что при высоком давлении и температуре структура FeO претерпевает "металлизацию" с изменением кристаллической структуры. Однако наши результаты говорят о том, что эта "металлизация" происходит без изменений в структуре, причем для этого требуется одновременное действие и большого давления, и температуры. Более того, теоретически поведение электронов в этом "металле" существенно отличается от того, что происходит в других "металлах""
Получается, что FeO сохраняет электропроводность на всей толще нижних слоев земной мантии. Этот факт на самом деле заставляет несколько по-другому взглянуть на то, как генерируется магнитное поле Земли. Создаваясь веществом верхней части земного ядра, оно должно распространяться в проводящих слоях мантии иначе, нежели это могло бы происходить, если бы FeO оставался изолятором. По словам профессора Коэна, в результате между мантией и ядром возникает "магнитно-механическое сопряжение".
Читайте также: Юпитер съел собственное сердце
Сейчас ученые намерены изменить условия эксперимента и посмотреть, что происходит с оксидом железа (II) при больших значениях температуры и давления. В перспективе они надеются с помощью подобных расчетов исследовать свойства всех веществ, входящих в состав земного ядра. И тогда его тайны, может быть, хоть на чуть-чуть приоткроются людям.
Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"