Как синхротрон помог ученым открыть новые факты о составе ядра Земли

Земля — это наш общий дом, но мы знаем о нем не так много, как хотелось бы. Особенно загадочным является его внутреннее строение, которое скрыто от наших глаз под толстым слоем коры. Что же находится в глубине нашей планеты? Из чего состоит ее ядро? Эти вопросы интересуют не только ученых, но и простых любознательных людей.

Считается, что ядро Земли состоит из двух частей: внутреннего и внешнего. Внутреннее ядро — это твердый шар из железа и никеля, а внешнее ядро — это жидкая оболочка из тех же металлов. Однако эта модель не объясняет все особенности сейсмических волн, которые распространяются по Земле после землетрясений. Сейсмические волны могут менять свою скорость и направление в зависимости от плотности и упругости среды, через которую они проходят. Поэтому изучая сейсмические волны, можно получить информацию о структуре и составе Земли.

Но для этого нужно знать, как плотность и упругость зависят от давления и температуры, которые растут с глубиной. Для этого ученые проводят эксперименты с различными материалами под высоким давлением и измеряют скорость звука в них. Однако такие эксперименты очень сложны и требуют специального оборудования. Кроме того, они не всегда дают точные результаты, так как приходится делать много допущений и приближений.

Недавно группа ученых из Японии предложила новый способ измерения скорости звука под высоким давлением с помощью рентгеновского излучения. Они использовали уникальный спектрометр на базе синхротрона SPring-8 — мощного источника рентгеновских лучей. Синхротрон — это ускоритель заряженных частиц, который создает электромагнитное излучение различных длин волн. С помощью синхротрона можно проводить различные исследования на атомном и молекулярном уровне.

Ученые взяли небольшой образец рения — металла, который похож по свойствам на железо и никель. Они поместили его под высокое давление, сжимая его между двумя алмазными анвилями — кристаллами алмаза с острыми концами. Затем они облучали его рентгеновскими лучами и анализировали отраженное излучение. Изменение энергии рентгеновских лучей позволило определить скорость звука в рении при разных давлениях.

Ученые обнаружили, что предыдущая шкала давления, которая использовалась для интерпретации сейсмических данных, была неточной. Она завышала давление на 20% при 230 гигапаскалях — давлении, которое достигается в ядре Земли. Это означает, что плотность и упругость материалов в ядре были недооценены. Используя новую шкалу давления, ученые пересчитали состав ядра и пришли к удивительному выводу. Оказалось, что во внутреннем ядре содержится в два раза больше легких элементов, чем предполагалось ранее. А во всем ядре масса легких элементов может быть в пять раз, или больше, больше, чем масса коры Земли.

Какие же это легкие элементы и откуда они взялись в ядре? Ученые предполагают, что это могут быть кислород, сера, углерод, водород или кремний. Они могли попасть в ядро при формировании Земли из пыли и газа около 4,5 миллиарда лет назад. Или же они могли проникнуть в ядро позже, когда Земля столкнулась с другими небесными телами. В любом случае, наличие легких элементов в ядре имеет большое значение для понимания происхождения и эволюции нашей планеты.

Новый метод измерения скорости звука под высоким давлением с помощью синхротрона открывает новые возможности для исследования Земли и других планет. Он позволяет получать более точные и надежные данные, не делая больших допущений и приближений.

Принцип работы синхротрона

Заряженные частицы, такие как электроны или протоны, вводятся в кольцевую вакуумную камеру, где они подвергаются ускорению с помощью переменного электрического поля, создаваемого специальными устройствами, называемыми резонаторами. Чтобы частицы не вылетали из камеры, они держатся на круговой траектории с помощью постоянного магнитного поля, создаваемого большими электромагнитами, расположенными вокруг камеры. При этом магнитное поле постепенно увеличивается по мере роста энергии частиц, чтобы сохранять радиус их орбиты постоянным. Частота электрического поля также подстраивается так, чтобы частицы всегда получали дополнительную энергию при прохождении через резонаторы. Таким образом, частицы разгоняются до очень высоких скоростей, близких к скорости света.

Однако при движении по криволинейной траектории заряженные частицы испускают электромагнитное излучение, называемое синхротронным. Это излучение имеет широкий спектр частот, от радиоволн до рентгеновских лучей, и распространяется в узком конусе по направлению движения частиц. Из-за этого частицы теряют часть своей энергии и замедляются. Чтобы компенсировать эту потерю, нужно постоянно увеличивать напряжение электрического поля и силу магнитного поля. Однако это имеет свой предел, так как увеличение мощности резонаторов и электромагнитов требует больших затрат энергии и денег.

Что такое алмазные анвили и как они работают?

Алмазные анвили — это специальные устройства, которые используются для создания высокого давления на маленьких образцах материалов. Они состоят из двух кристаллов алмаза с острыми концами, которые сжимают образец между собой. Алмазы выбираются для этой цели, потому что они очень твердые и прозрачные для рентгеновских лучей. Алмазные анвили позволяют достигать давления до нескольких миллионов атмосфер, что соответствует давлению в глубине Земли.

Как можно определить скорость звука по изменению энергии рентгеновских лучей?

Скорость звука в материале зависит от его плотности и упругости. Под давлением плотность и упругость материала меняются, а значит и скорость звука в нем тоже. Рентгеновские лучи, которые отражаются от материала, также изменяют свою энергию в зависимости от плотности и упругости материала. Это явление называется рентгеновским доплеровским сдвигом. Измеряя этот сдвиг, можно рассчитать скорость звука в материале по специальной формуле.

Почему наличие легких элементов в ядре имеет большое значение для понимания происхождения и эволюции Земли?

Наличие легких элементов в ядре может дать нам подсказки о том, как Земля образовалась из пыли и газа около 4,5 миллиарда лет назад. Легкие элементы могли быть частью первичного материала, из которого сформировалась Земля, или же они могли проникнуть в ядро позже, когда Земля столкнулась с другими небесными телами. Например, некоторые ученые полагают, что Луна образовалась в результате столкновения Земли с Марсом-подобным объектом. Это столкновение могло изменить состав ядра Земли и вызвать ее наклонение на оси. Наличие легких элементов в ядре также может влиять на его тепловой баланс и динамику. Ядро является источником тепла и магнитного поля Земли, которые играют важную роль в поддержании жизни на планете.