Почему ядро Земли вообще твёрдое? Ученые нашли элемент-триггер, запустивший его кристаллизацию

08 сен 2025, 14:00

Мы живем на поверхности гигантского раскаленного шара. Под нашими ногами, на глубине почти трех тысяч километров, начинается ядро Земли. Его внешняя часть — это бурлящий океан жидкого железа, а в самом центре находится твердый металлический шар размером с Луну.

Это мы знаем. А вот чего мы не знаем точно — так это его состава. Данные сейсмологов говорят нам, что ядро слишком легкое, чтобы состоять из чистого железа и никеля. Значит, там есть примеси — «легкие» элементы. Кандидатов несколько: кремний, сера, кислород, углерод. Геофизики десятилетиями пытаются выяснить их точную пропорцию, сверяя данные о плотности и скорости сейсмических волн с лабораторными моделями. Но разные комбинации дают схожие результаты. Загадка остается.

Земля в разрезе, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3

Новое исследование предлагает взглянуть на проблему с совершенно другой стороны. Вместо того чтобы спрашивать «что там внутри?», авторы задали другой вопрос: «а как твердое ядро вообще смогло образоваться?». И этот, казалось бы, простой вопрос открывает совершенно новый способ отсеять неправдоподобные гипотезы.

Как заставить жидкость замерзнуть?

Вот простая физическая реальность: чтобы жидкость начала кристаллизоваться, ей недостаточно просто достичь своей точки замерзания. Ей нужно остыть немного ниже этой отметки. Этот феномен называется переохлаждением.

Почему так происходит? Атомы в жидкости движутся хаотично. Чтобы они выстроились в упорядоченную кристаллическую решетку, им нужно преодолеть энергетический барьер. Случайные флуктуации должны создать стабильный «зародыш» твердой фазы, к которому уже начнут присоединяться другие атомы. Этот процесс называется нуклеацией. Чем сильнее переохлаждена жидкость, тем быстрее и легче происходит нуклеация.

Теперь вернемся к ядру Земли. Миллиарды лет назад оно было полностью жидким. Постепенно остывая, оно достигло температуры кристаллизации железа при чудовищном давлении в центре планеты. Но твердое ядро не появилось в тот же миг. Жидкому железу нужно было переохладиться.

И вот ключевой момент: величина необходимого переохлаждения напрямую зависит от химического состава расплава. Одни примеси помогают зародышам кристаллов формироваться, другие — мешают. Так может, некоторые из предполагаемых составов ядра потребовали бы такого экстремального переохлаждения, которое просто невозможно с точки зрения всей тепловой истории Земли?

Верхний график: Температуры плавления (точки), рассчитанные с помощью моделирования сосуществования двух фаз для систем Fe₁₋ₓCₓ (где x — молярная доля). Пунктирная линия показывает кривую плавления чистого Fe по данным Alfè et al.³⁶, приведенную для сравнения. Сплошные линии представляют собой аппроксимацию данных (полином второй степени для xᶜ = 0.02, 0.04, 0.06 и линейная аппроксимация для xᶜ = 0.08, 0.10). Серая область показывает диапазон давлений P для внутреннего ядра Земли. Нижний график: Интерполяция точек с верхнего графика дает значения Tₘ(330 GPa, xᶜ) и Tₘ(360 GPa, xᶜ), показанные треугольниками, направленными вверх и вниз, соответственно. Эти условия соответствуют современной границе внутреннего ядра (ICB) и центру Земли, соответственно. Результат для Fe₁₋ₓOₓ по данным Davies et al.³⁰ при 323 GPa показан для сравнения (красные точки и линия). Цитирование: Wilson, A.J., Davies, C.J., Walker, A.M. et al. Constraining Earths core composition from inner core nucleation. Nat Commun 16, 7685 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62841-4
Автор: Wilson, A.J., Davies, C.J., Walker, A.M. et al. Источник: www.nature.com

Моделирование невозможного: ядро в суперкомпьютере

Проверить эту идею — задача не из легких. Давление в центре Земли превышает 3,5 миллиона атмосфер, а температура — 5000-6000 градусов Цельсия. Воссоздать такое в лаборатории и наблюдать за рождением одного кристалла — практически нереально.

Поэтому исследователи обратились к молекулярной динамике. Они создали точную компьютерную модель небольшого объема жидкого ядра. В эту виртуальную «коробку» они поместили атомы железа и добавили к ним углерод в разных концентрациях. Затем, задав нужные давление и температуру, они начали медленно «остужать» систему в симуляции, переводя ее в состояние переохлаждения.

Дальше оставалось только ждать. И считать. Модель показывала, сколько времени требуется, чтобы в этом хаосе атомов спонтанно возник устойчивый кристаллический зародыш. Это время — прямой показатель того, насколько легко или трудно происходит нуклеация для данного состава.

Критические радиусы r𝒸 для жидких сплавов Fe₁₋ₓCₓ в диапазоне от xᶜ = 0.01 до xᶜ = 0.1 (случаи для xᶜ = 0.01 и xᶜ = 0.03 взяты из работы Wilson et al.³³), все при давлении 360 GPa. Значение r𝒸 оценивается по распределениям субкритических зародышей. Погрешности для r𝒸 определяются по распределениям размеров зародышей при постоянной температуре (подробнее см. в работе Wilson et al.³¹). Температура показана как переохлаждение (δT = Tₘ - T), где значение Tₘ уникально для каждого xᶜ (см. рис. 1). Цитирование: Wilson, A.J., Davies, C.J., Walker, A.M. et al. Constraining Earths core composition from inner core nucleation. Nat Commun 16, 7685 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62841-4
Автор: Wilson, A.J., Davies, C.J., Walker, A.M. et al. Источник: www.nature.com

Углерод выходит на сцену

Результаты оказались поразительно четкими. Предыдущие работы уже показывали, что расплавы чистого железа, а также железа с кремнием или серой требуют для нуклеации огромного переохлаждения — на сотни, а то и тысячи градусов. Такие цифры плохо согласуются с геофизическими моделями.

Но с углеродом все иначе.

Моделирование показало прямую зависимость: чем больше в расплаве железа было углерода, тем меньше переохлаждения требовалось для старта кристаллизации. При концентрации углерода около 10-15% (в молярной доле) необходимое переохлаждение падает до 250-480 градусов. И это уже абсолютно реалистичная цифра, которая хорошо вписывается в общепринятые модели эволюции Земли.

По сути, углерод действует как катализатор замерзания. Он помогает атомам железа преодолеть энергетический барьер и начать формировать твердую фазу без необходимости экстремального охлаждения.

Верхний график: Время ожидания наступления критического события нуклеации для четырех композиций Fe₁₋ₓCₓ в диапазоне переохлаждения. Погрешности показаны закрашенными областями. Также приведены оценки из работы Wilson et al.³³ для xᶜ = 0.01 и xᶜ = 0.03 (без указания погрешностей для наглядности). Пунктирная черная линия показывает максимальное время ожидания для внутреннего ядра с радиусом, равным половине современного, которое было переохлаждено в течение 1 млрд лет, а серая закрашенная область представляет значения переохлаждения, совместимые с современным размером внутреннего ядра³³. Розовая область выделяет зоны в пределах огибающей погрешности для Fe₀.₉C₀.₁, которые соответствуют значениям переохлаждения, совместимым с геофизическими наблюдениями³³. Нижний график: Интерполяция (сплошная синяя линия) и экстраполяция (пунктирная синяя линия) результатов для Fe₁₋ₓCₓ (сплошные линии, без учета погрешностей) при τw = 3.1 x 10³⁴ с·м³ для оценки δT, необходимого для нуклеации внутреннего ядра, для значений xᶜ вплоть до максимального предполагаемого содержания C в ядре, xᶜ = 0.156 (красная линия)³⁷. Цитирование: Wilson, A.J., Davies, C.J., Walker, A.M. et al. Constraining Earths core composition from inner core nucleation. Nat Commun 16, 7685 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62841-4
Автор: Wilson, A.J., Davies, C.J., Walker, A.M. et al. Источник: www.nature.com

Почему это меняет всё?

Эта работа — не просто еще одно уточнение в долгой дискуссии. Она предлагает новый, невероятно мощный фильтр для проверки гипотез о составе ядра. Теперь любая модель должна отвечать не только на вопросы «совпадает ли плотность?» и «проходят ли так сейсмические волны?». Она должна отвечать на фундаментальный вопрос: «мог ли при таком составе вообще родиться твердый центр Земли?».

Если для кристаллизации предложенного сплава требуется переохлаждение в 1000 градусов, то эту гипотезу можно отбросить, какой бы красивой она ни казалась.

И исследование указывает на явного фаворита. Состав, богатый углеродом, не просто объясняет малую плотность ядра. Он объясняет само его существование. Он решает «парадокс нуклеации», который ставил в тупик многие другие модели.

Конечно, работа еще не закончена. Ядро Земли — это, скорее всего, сложный коктейль из нескольких легких элементов. Но теперь у ученых есть твердая зацепка и ясное направление для будущих поисков. Похоже, что ключ к одной из главных тайн нашей планеты состоит из того же элемента, что и основа жизни на ее поверхности. Из углерода.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник