Ранее считалось, что кислорода, скорее всего, нет в составе железного внутреннего ядра Земли. Однако в новом эксперименте ученые смогли смоделировать экстремальные условия этой среды и получить богатый железом сплав Fe-O, который может существовать при температуре более 2700 градусов Цельсия и давлении в 300 гигапаскалей.
Кислород, необходимый для жизни большинства существ, — один из самых распространенных химических элементов на Земле. Однако до сих пор оставалось загадкой, присутствует ли он во внутреннем ядре нашей планеты, состоящем практически полностью из железа. Если да, то в какой форме кислород существует в условиях экстремально высоких температуры и давления?
Теперь ученые из Центра передовых исследований науки и технологий в области высоких давлений (Китай) и Колумбийского университета (Колумбия) показали, что богатые железом сплавы Fe-O остаются стабильными при давлении практически в 300 гигапаскалей (примерно три миллиона атмосфер) и температуре более 2700 градусов Цельсия. Результаты исследования, опубликованные в журнале The Innovation, доказывают, что кислород может существовать в твердом внутреннем ядре нашей планеты.
Внутреннее ядро Земли остается одним из самых загадочных мест на планете. Давление в нем может достигать 360 гигапаскалей, а температура — 5400 градусов Цельсия, практически как на поверхности Солнца. Так как ядро находится далеко за пределами досягаемости человека, ученые могут сделать выводы о его плотности и химическом составе только по косвенным сейсмическим сигналам.
Считается, что легкие элементы могут находиться в ядре, но вопрос об их типе и концентрациях до сих пор остается спорным. Космохимические и геохимические данные свидетельствуют о том, что ядро должно содержать серу, кремний, углерод и водород. Эксперименты и расчеты также подтвердили, что эти элементы смешиваются с чистым железом с образованием различных сплавов.
Однако наличие кислорода в ядре обычно исключают. В основном это связано с тем, что богатые железом сплавы Fe-O никогда не обнаруживали на поверхности или в мантийной среде. Хотя ученые пытались синтезировать соединения оксида железа с составом, богатым железом, такие вещества еще не находили.
Чтобы приблизиться в эксперименте к температуре и давлению ядра Земли, авторы новой работы поместили железо и оксид железа на кончики двух алмазных наковален и нагрели их высокоэнергетическим лазерным лучом. Оказалось, химическая реакция между этими веществами происходит при давлении выше 220-260 гигапаскалей температуре в 2700 градусов Цельсия.
Теоретический поиск кристаллической структуры полученного богатого железом сплава Fe-O показал, что он может стабильно существовать в условиях земного ядра. При этом новые сплавы Fe-O образуют гексагональную плотноупакованную структуру, в которой кислородные слои расположены между слоями железа и стабилизируют структуру. Такой механизм создает множество плотноупакованных слоев. Дальнейшие расчеты продемонстрировали, что богатые железом сплавы Fe-O — металлические, в отличие от обычных оксидов железа при низких давлениях.
Автор: Александра Медведева