Открытие того, что гелий и железо могут смешиваться при температурах и давлениях, наблюдаемых в центре Земли, может положить конец давним спорам о том, как образовалась наша планета.
Первичный гелий с начала солнечной системы может быть застрял внутри твердого ядра Земли, предполагают новые исследования. Результаты могут иметь значение для давних дебатов о том, как быстро образовалась наша планета.
Эта редкая форма гелия называется гелием-3, потому что в ее ядре два протона и один нейтрон. Обычный гелий, который в 700 000 раз более распространен, чем гелий-3, называется гелием-4, потому что в нем два протона и два нейтрона. В то время как гелий-4 является обычным продуктом распада радиоактивных элементов, гелий-3 почти полностью происходит из первоначального облака пыли и газа, которое образовало Солнечную систему.
Было известно, что этот первичный элемент существует внутри Земли. Каждый год около 4,4 фунтов (2 кг) гелия-3 вытекает из срединно-океанических хребтов, где кора разрывается, и из вулканических горячих точек, которые выкачивают магму из глубин мантии. Но как именно он оставался внутри планеты в течение миллиардов лет, остается загадкой.
Гелий — очень легкий газ, и большинство летучих газов уже давно покинули мантию, будучи выброшенными во время гигантского удара, образовавшего Луну, или выброшенными на поверхность неумолимыми движениями тектонических плит.
Ученые предположили, что, возможно, этот изначальный гелий заперт в ядре Земли, где он будет защищен от крупных возмущений и будет просачиваться на поверхность очень медленно. Но ядро в основном состоит из железа, а гелий и железо обычно не смешиваются.
Теперь, в новом исследовании, исследователи из лаборатории Кея Хиросе , планетолога из Токийского университета, и их коллеги обнаружили, что при температурах и давлениях, ожидаемых в ядре, эти два элемента действительно смешиваются. Фактически, твердое железо при высокой температуре и давлении может содержать до 3,3% гелия, сообщили исследователи в журнале Physical Review Letters.
Исследователи обнаружили эту совместимость, нагревая железо и гелий до температуры от 1340 до 4940 градусов по Фаренгейту (от 727 до 2727 градусов по Цельсию или от 1000 до 3000 кельвинов), одновременно сжимая элементы наковальней с алмазным наконечником до давления, в 50 000–550 000 раз превышающего давление на поверхности Земли. Затем они сбросили давление в образцах при криогенных температурах и измерили их кристаллические структуры. Этот метод, вероятно, предотвратил утечку гелия во время фазы измерения, сказал Хиросе.
Исследователи использовали обычный гелий-4 в своих экспериментах, но гелий-3, вероятно, будет вести себя очень похоже, сказал Питер Олсон, геофизик из Университета Нью-Мексико, который не участвовал в исследовании, но изучал ядро Земли. Результаты подтверждают, что гелий может оставаться запертым в твердом внутреннем ядре Земли в течение длительного времени, сказал Олсон, но он предупредил, что только 4% ядра является твердым.
«Это важно, поскольку показывает, что гелий совместим с твердой фазой ядра», — сказал Олсон. «Но поскольку ядро почти наверняка сформировалось в жидком состоянии, предстоит еще много работы, чтобы показать, что ту же интерпретацию можно применить к жидкой части».
По словам Олсона, выяснение того, как гелий-3 попал в ядро во время формирования Земли, очень важно для понимания того, когда образовалась планета. Легкие газы, такие как гелий, находились в газопылевой туманности, которая сформировала Солнечную систему, всего несколько миллионов лет.
«Очень много спорят о том, сколько времени потребовалось для формирования Земли», — сказал Олсон. «Есть и другие доказательства, которые интерпретируются так, что Земля формировалась очень медленно, требуя 100 миллионов лет. Если бы Земля формировалась так медленно, вы бы не получили много гелия в глубине Земли».
Другими словами, если ученые смогут доказать, что ядро Земли содержит большое количество гелия-3, это будет весомым аргументом в пользу того, что планета образовалась быстро, что положит конец давним спорам о зарождении Солнечной системы.
