Точное измерение плотности жидкого железа в экстремальных условиях

Используя большую установку синхротронного излучения SPring-8 в Японии, коллаборация исследователей из Университета Кумамото, Токийского университета и других из Японии и Франции точно измерила плотность жидкого железа в условиях, аналогичных тем, которые находятся во внешнем ядре Земли: 1 000 000 атм и 4000 градусов C. Точные измерения плотности жидкого железа в таких экстремальных условиях очень важны для понимания химического состава ядра нашей планеты, по информации сайта ascania-nova.org.

Земля имеет цельнометаллическое внутреннее ядро ??и жидкометаллическое внешнее ядро, расположенное примерно на 2900 км (1800 миль) ниже поверхности, которые находятся под очень высоким давлением и температурой. Поскольку основным компонентом внешнего ядра является железо, а его плотность значительно ниже плотности чистого железа, считалось, что в нем содержится большое количество легких элементов, таких как водород и кислород. Определение типа и количества этих легких элементов позволит лучше понять происхождение Земли, в частности, материалы, из которых состоит Земля и окружающая среда в ядре, когда он отделен от мантии. Однако это сначала требует точного измерения плотности чистого жидкого железа при экстремальном давлении и температуре, аналогичных расплавленному сердечнику, чтобы можно было сравнивать плотности.

По мере повышения давления температура плавления железа также повышается, что затрудняет изучение плотности жидкого железа при сверхвысоком давлении. Предыдущие измерения плотности жидкого чугуна под высоким давлением утверждали, что она была примерно на 10% выше, чем плотность жидкого чугуна в условиях активной зоны, но предполагалось, что использованные эксперименты по ударному сжатию имели большую ошибку.

Текущая работа улучшает эти измерения с помощью высокоинтенсивного рентгеновского излучения на установке SPring-8 для измерения дифракции рентгеновских лучей жидкого железа при сверхвысоких давлениях и высоких температурах и применяет новый аналитический метод для расчета плотность жидкости. Кроме того, профиль скорости звука жидкости был измерен в экстремальных условиях до 450 000 атм. Данные были собраны при различных температурах и давлениях, а затем объединены с предыдущими данными ударной волны для расчета плотности для условий по всему ядру Земли.

В настоящее время лучший способ оценить плотность внешнего ядра Земли - это сейсмические наблюдения. Сравнение плотности внешнего ядра с экспериментальными измерениями в этом исследовании показывает, что чистое железо примерно на 8% плотнее, чем у внешнего ядра Земли. Кислород, который в прошлом считался главной примесью, не может объяснить разницу в плотности, что свидетельствует о наличии других легких элементов. Это открытие - большой шаг к оценке химического состава ядра - первоклассная проблема в науке о Земле.

«Во всем мире было предпринято много попыток измерить плотность, скорость звука и структуру жидкостей при сверхвысоких давлениях с использованием алмазных элементов, нагреваемых лазером, в течение более 30 лет, но пока ни одна из них не увенчалась успехом», - сказал доктор Йоити Накаджима. один из основных участников научного сотрудничества. «Мы ожидаем, что технологические инновации, достигнутые в этом исследовании, значительно ускорят исследования жидкостей при высоких давлениях. В конечном счете, мы верим, что это углубит наше понимание жидкометаллического ядра и магмы глубоко внутри Земли и других каменистых планет».