Внутреннее ядро Земли может содержать кислород

Ученые из Китая и США обнаружили, что богатые железом сплавы оксида железа (Fe-O) стабильны при экстремальном давлении почти в 300 гигапаскалей и температуре более 3000 К (2726,85 градусов Цельсия), передает EurekAlert!. Результаты, опубликованные в журнале The Innovation, доказывают, что кислород может существовать в твердом внутреннем ядре.

Кислород является ключевым веществом для жизни и одним из самых распространенных элементов на Земле. Однако до сих пор неизвестно, присутствует ли кислород и в какой форме во внутреннем ядре Земли, которое почти полностью состоит из чистого железа (с включением никеля). Давление в ядре достигает более трех миллионов атмосфер, а температура – около 5700 К (5400 градусов Цельсия).

Поскольку внутреннее ядро находится далеко за пределами досягаемости человека, мы можем сделать вывод о его плотности и химическом составе только по сейсмическим сигналам, которые создаются землетрясениями. В настоящее время считается, что легкие элементы – сера, кремний, углерод и водород – тоже могут встречаться во внутреннем ядре. Эксперименты и расчеты также подтвердили, что эти элементы смешиваются с чистым железом с образованием различных сплавов при высоких температурах и условиях высокого давления недр Земли.

Кислород обычно не входит в число этих легких элементов в ядре. В основном это связано с тем, что сплавы Fe-O с богатым железом составом никогда не обнаруживались на поверхности или в мантийной среде. Хотя ученые пытались синтезировать соединения оксида железа с составом, богатым железом, такие вещества еще не были найдены. В этой работе исследователи провели ряд экспериментов и теоретических расчетов, чтобы понять, действительно ли внутреннее ядро Земли является таким «бескислородным». 

Чтобы создать условия, близкие к температуре и давлению ядра Земли, исследователи поместили чистое железо и оксид железа на кончики двух алмазных наковален и нагрели их высокоэнергетическим лазерным лучом. После многих попыток было обнаружено, что химическая реакция между железом и оксидом железа происходит при давлении выше 220-260 гигапаскалей (ГПа) и температуре 3000 К. Продукт этой реакции отличается от обычной высокотемпературной структуры чистого железа и оксида железа. 

Теоретический поиск кристаллической структуры доказал, что богатый железом сплав Fe-O может стабильно существовать при давлении около 200 ГПа. В таких условиях новые сплавы Fe-O с высоким содержанием железа образуют гексагональную плотноупакованную структуру, в которой кислородные слои расположены между слоями железа для стабилизации образования. Такой механизм создает множество плотноупакованных структур, объединяющихся в большое семейство богатых железом соединений Fe-O с большой конфигурационной энтропией. На основе этой теоретической информации было обнаружено, что конфигурация Fe28O14 соответствует экспериментальным результатам. 

[Иллюстрация: JIN LIU]