Лазерный мир

Физики уточнили температуру внутренней границы земного ядра, экстраполировав экспериментальные данные, которые получили с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии на железе, сжатом ударным методом до 270 гигапаскаль. Своей новой оценкой в 6202 кельвина при давлении 330 гигапаскалей исследователи поделились в журнале Physical Review Letters.

Согласно современным представлениям, ядро нашей планеты в основном состоит из железа и разделено на две части — расплавленную внешнюю и твердую внутреннюю. Кристаллизованный центр обеспечивает конвекцию вещества в жидкой компоненте, что в свою очередь создает магнитное поле вокруг Земли, свойства которого играют важную роль, например, в миграции животных (помогая ориентироваться нетопырям и путешествовать камышовкам).

Так как параметры земного магнитного поля напрямую зависят от характеристик планетного ядра, исследователи уделили особое внимание фазовой диаграмме железа, модель которой позволяет определить состояние металла при различных давлениях и температурах. Большинство данных о свойствах железа при давлениях выше 200 гигапаскалей физики получили благодаря динамическим и ударным методам сжатия, наблюдая объемную структуру вещества с помощью рентгеновской дифракции. Однако с определением температуры не все так просто: прямые пирометрические измерения обладают плохой точностью из-за низкой излучательной способности железа, а косвенные термодинамические расчеты зависят от выбранной модели теплопроводности, что приводит к погрешности в 10–20 процентов.

Николя Севелином-Радиге (Nicolas Sévelin-Radiguet) из Европейского центра синхротронных исследований совместно с физиками из Великобритании, США и Франции с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии измерил температуру железа, сжатого лазерным излучением до 100–270 гигапаскалей, а затем экстраполировал полученные результаты и получили уточненную оценку температуры земного ядра в 6202 кельвина.

Ученые провели эксперимент в Европейском центре синхротронного излучения на лазерной установке высокой мощности (HPLF): образец железа толщиной 3,5 микрометра исследователи нанесли на микроскопический алмаз и покрыли слоем парилена, а затем облучили лазером на длине волны 1053 нанометра. Оптические импульсы длительностью в десять наносекунд запустили лазерную абляцию парилена — вещество моментально испарилось, вызвав микровзрыв, который в свою очередь создал в подопытном материале ударные волны. Измерение скорости этих ударных волн позволило определить давление в железе с помощью гидродинамического моделирования.

Для измерения температуры железа физики использовали рентгеновскую абсорбционную спектроскопию: рентгеновский пучок рассеивался в пятно размером шесть на шесть микрометров на образце, а затем собирался позиционно-чувствительным детектором, что позволило авторам работы получить полный спектр с энергетическим разрешением в один электронвольт за один рентгеновский импульс длительностью 100 пикосекунд.

Nicolas Sévelin-Radiguet et al. / Physical Review Letters, 2024

Собранные в результате эксперимента спектры ученые сопоставили с кривой Гюгонио и определили зависимость температуры для железа: выяснилось, что при давлении 240–270 гигапаскалей и температуре 5345–5800 кельвинов в образце наступило так называемое плато ударного плавления. Физики сопоставили эти данные с самыми последними многофазными уравнениями состояния железа, подтвердив их справедливость, и на основе экстраполяции получили новую верхнюю границу в 6202 кельвина для температуры границы внутреннего ядра Земли (при давлении 330 гигапаскалей).

Фазовая диаграмма железа при высоких температурах и экстремальных давлениях (черные кружки соответствуют экспериментальным результатам авторов)
 Nicolas Sévelin-Radiguet et al. / Physical Review Letters, 2024

Новые экспериментальные результаты физиков позволили разделить существующие модели фазовой диаграммы железа на те, что дают завышенную оценку температуры при экстремальных давлениях, и те, что согласуются с данными, полученными благодаря рентгеновской абсорбционной спектроскопии.

Источник: https://nplus1.ru/news/2025/01/03/shocked-iron-melting