http://www.sciencemag.org/content/340/6131/464.abstractMelting of Iron at Earth’s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction
S. Anzellini, A. Dewaele, M. Mezouar, P. Loubeyre, G. Morard
ядро Земли состоит в основном из железа и близких ему металлов,
причем этот "шарик" находится под давлением свыше 1,3 миллиона атмосфер (и это только на периферии).
в центре, где давление еще выше, железо вновь становится твердым.
О наличии двух слоев ядра ученые узнали проанализировав прохождение вызванных крупными землетрясениями сейсмических волн, проходящих сквозь Землю
Анализ вызванных землетрясениями сейсмических волн, проходящих сквозь Землю, позволяет судить о толщине обоих ядер и даже о том, как с глубиной возрастает давление.
перепад температур между этими слоями, считающийся главным фактором крупномасштабных термических перемещений,
и может создавать вместе с вращением Земли что-то вроде динамо-машины, порождающей магнитное поле планеты.
в 1993 году впервые в мире немцы
Райнхард Белер из Химического института Общества имени Макса Планка (ФРГ) и его коллеги
провели эксперимент
В специально оборудованной лаборатории они стали плавить железо при высоких давлениях (создаваемых при помощи
алмазного пресса)
и температурах (их обеспечивал лазерный луч). В итоге ученые установили, что
при увеличении давления железо перестает быть жидкостью где-то в температурном интервале в 4 800 — 5 000 °C.
коллеги из Германии совершили ошибку. Они определяли структуру железа при помощи оптических методов (то есть смотрели на него через микроскоп). Но дело в том, что начиная с 2 400°C на поверхности образца начинается рекристаллизация, что приводит к динамическим изменениям кристаллической структуры железа. Таким образом материал мог показаться снаружи твердым, хотя внутри он продолжал оставаться жидким. Это-то и ввело в заблуждение специалистов из группы профессора Белер.
группа исследователей из
Комиссариата ядерной энергетики Франции и
европейского ускорительного комплекса
ESRF в Гренобле
сделали алмазную камеру, давление в которой составляет несколько миллионов атмосфер,
а лазерные лучи поднимали температуру до 4000 С° и 5000 С°
разработали новую технологию, основанную на интенсивном рентгеновском излучении, которое создает синхротрон.
термоизолированная железная пылинка помещается между острыми концами двух алмазов, которые сжимают её, пока лазер нагревает.
Затем в дело вступает рентгеновское излучение. (Изображение авторов работы.)
дифракция данного излучения позволяет определить, является ли исследуемый образец твердым, жидким или частично расплавленным всего за одну секунду.
И этого времени вполне достаточно для того, что бы удержать температуру и давление на постоянном уровне,
а также предотвратить протекание нежелательных для исследования химических реакций, то есть получить наиболее достоверный результат.
так это выглядит в лаборатории ESRF. В глубине кадра скрывается соавтор исследования Гийом Морар.
Что
создают алмазными прессами ещё?
интересная методика определения структуры металлов при экстремальных значениях температуры и давления
будет востребована теми, кто занимается разработкой металлических конструкций
для космических кораблей или аппаратов, работающих там, где "тяжко и жарко" — например, в жерлах подводных вулканов
если мы знаем, под каким давлением находится железо в каждой из оболочек ядра, то легко узнать и какая там температура
Изучая состояние железа при различных температурах,
исследователи установили точное значение температуры внутри ядра в центре планеты.
довели температуру плавления железа до 4 800°C (при давлении в 2,2 миллиона атмосфер) и поняли,
что при таких условиях железо все-таки не твердеет, а остается частично расплавленным.
экстраполировали данные для того, чтобы выяснить температуру при давлении 3,3 млн атмосфер
(именно такое чудовищное давлении и характерно для границы между жидким и твердым слоем ядра).
В результате было установлено, что значение температуры должно составлять 6 000 ± 500°C.