Измерение теплопроводности твердого железа при экстремальных давлениях и температурах, характерных для ядра Земли, позволило объяснить генерацию магнитного поля планеты.

Земля, как и многие другие небесные тела, обладает магнитным полем, которое играет в нашей жизни огромную роль. Оно защищает нас от энергичных заряженных частиц солнечного ветра, несущих угрозу жизни на нашей планете, позволяет ориентироваться с помощью компаса, а его возмущения – магнитные бури влияют на наше самочувствие и работу техники.

Образец железа между двумя алмазными наковальнями и область Земли, для которой проводилось моделирование условий.

Однако, несмотря на многолетние исследования, физики так до конца и не выяснили механизм его образования. В настоящее время основным объяснением происхождения магнитного поля планет считается магнитное динамо, называемое также геодинамо.

Главную роль в нем играет то, что земное ядро состоит из твердого внутреннего ядра и жидкого (расплавленного) внешнего ядра. Тепло, выделяющееся во внутреннем ядре в результате ядерных реакций, приводит к сложному конвективному движению жидкого вещества во внешнем ядре, подобно тому, как огонь под кастрюлей заставляет двигаться в ней воду. Вращение Земли вокруг оси превращает эту систему в динамо-машину, генерирующую магнитное поле.

Такая модель, хотя и неплохо описывает свойства магнитных полей планет земной группы, тем не менее, имеет целый ряд нерешенных проблем. Одна из них, – обнаруженный в 2012 году так называемый «новый парадокс ядра». Его суть в том, что по современным представлениям твердое ядро образовалось около полутора миллиардов лет тому назад, следовательно, механизм геодинамо должен был заработать примерно в то же время. Однако палеомагнитные исследования, основанные на том, что расплавленная порода, застывая «запоминает» направление магнитного поля, показывают, что магнитное поле Земли существовало уже около 3,5 миллиардов лет тому назад.

Для объяснения парадокса необходимо точно установить теплопроводность материала твердого ядра Земли, которое состоит главным образом из железа. Однако в центре планеты железо находится в экстремальных условиях: при огромных давлениях и температурах, поэтому его свойства могут значительно отличаться от измеренных на поверхности.

Эту задачу решил международный коллектив физиков под руководством бывшего сотрудника Института кристаллографии РАН Александра Гончарова, в настоящее время представляющего Вашингтонский Институт Карнеги (США). Для создания высокого давления они воспользовались инструментом под названием ячейка с магнитными наковальнями. В ней железный образец размещался между алмазными «наковальнями», как в тисках. Сжимающее усилие передавалось на рабочие площадки малого диаметра, где благодаря исключительной твёрдости алмаза достигалось огромное давление. Нужная температура достигалась нагревом образца лазером прямо через прозрачный алмаз.

Таким образом, исследователям удалось измерить теплопроводность железа при давлениях от 345 000 до 1,3 миллиона раз больших нормального атмосферного давления и температурах в интервале 1300-2700 градусов Цельсия. Эти условия соответствуют ядрам планет с размерами от Меркурия до Земли. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature.

Достаточно низкие полученные значения теплопроводности твердого железа позволили авторам работы сделать вывод, что механизм геодинамо должен работать с самого начала истории Земли. А твердое ядро должно иметь тот же возраст.

По материалам Института Карнеги