Пока человечество отправляет роверы на Марс и зонды к границам Солнечной системы, прямо у нас под ногами скрывается среда, недостижимая для любых буровых установок. Речь идет о земном ядре — зоне, где давление в 3,6 миллиона раз превышает атмосферное, а температура переваливает за отметку в 6000 градусов Цельсия. Именно здесь, согласно результатам нового исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences, может находиться водород в состоянии, которое невозможно встретить на поверхности планеты.
![]()
Фото из открытых источников / © GigaChat
Международная группа ученых смоделировала поведение вещества при экстремальных нагрузках и обнаружила признаки существования так называемого суперионного водорода. В этом странном агрегатном состоянии атомы водорода теряют свои электроны и начинают свободно перемещаться сквозь кристаллическую решетку железа, подобно жидкости, но при этом сохраняют жесткую структуру самого металла. Это позволяет веществу отлично проводить электричество.
Исследователи рассмотрели две основные конфигурации: гексагональную плотноупакованную (HCP) и объемно-центрированную кубическую (BCC). Выяснилось, что BCC-фаза обладает большей свободной энергией, из-за чего она менее стабильна. При температурах выше 6400 Кельвинов и содержании водорода более 20% эта фаза теоретически могла бы стать доминирующей, однако расчеты показывают, что при таких вводных вещество просто превращается в расплавленную «магматическую кашу». Поэтому наиболее вероятно, что основным компонентом ядра является HCP-структура. Она демонстрирует высокую термодинамическую стабильность и вполне способна сосуществовать с жидким слоем внешнего ядра.
«Наши расчеты показывают, что водород способен стабилизировать сверхионную фазу при достаточно высокой температуре и концентрации водорода», — отмечают исследователи.
Ученые также зафиксировали резкий радиальный градиент: концентрация водорода падает по мере продвижения от границы внутреннего ядра к его центру. Это означает, что сверхионический водород постоянно мигрирует к границе раздела слоев. Достигнув ее, он теряет свои уникальные свойства, переходит в жидкое состояние и обогащает внешнее ядро. По мнению авторов работы, этот процесс непрерывного перераспределения вместе с ростом твердого центра со скоростью около одного миллиметра в год создает химическую плавучесть.
«Оба процесса могут способствовать химической плавучести, которая считается важным источником энергии, приводящим в действие геодинамо», — заключают ученые.
Геодинамо — это механизм, отвечающий за генерацию магнитного поля Земли, без которого жизнь на поверхности была бы выжжена космической радиацией.
Для полноты картины физикам еще предстоит учесть влияние других легких элементов, которые остаются в жидком состоянии — кислорода и углерода. Однако уже сейчас ясно, что распределение аномалий внутри нашей планеты диктуется не столько чудовищным давлением, сколько температурным равновесием.
***
Суперионное состояние материи долгое время считалось исключительно астрофизическим курьезом, характерным лишь для ледяных гигантов вроде Урана или Нептуна. Там метан под колоссальным давлением распадается, высвобождая углерод, который образует алмазный дождь, падающий сквозь море жидкого металлического водорода. Теперь же выясняется, что Земля тоже имеет полное право называться планетой-экстремалом.
Кстати, скорость роста внутреннего ядра (один миллиметр в год) кажется ничтожной, но в масштабах четырех с половиной миллиардов лет истории планеты это позволило сформировать твердый железный шар диаметром более 1200 километров. Любопытно, что если бы мы могли охладить содержимое ядра до комнатной температуры, сверхионический водород мгновенно превратился бы в самый обычный газ, а плотность планеты изменилась бы настолько, что глобальная тектоническая перестройка суши началась бы через несколько минут.
