Od dekad uczono nas, że wnętrze Ziemi to prosta historia: ciekłe jądro zewnętrzne i ekstremalnie sprężone, twarde jądro wewnętrzne. Nowe eksperymenty pokazują jednak, że ten obraz jest zbyt uproszczony. Naukowcy potwierdzili istnienie egzotycznego, superjonowego stanu materii, który zachowuje się jednocześnie jak ciało stałe i ciecz. I to dokładnie tam, gdzie najmniej się tego spodziewaliśmy – w jądrze wewnętrznym naszej planety.
To odkrycie nie tylko porządkuje wieloletnie sprzeczności w danych sejsmicznych, ale też otwiera nowe drzwi do zrozumienia pola magnetycznego Ziemi i wnętrz planet podobnych do naszej.
Co właściwie odkryto?
Zespół badaczy wykazał eksperymentalnie, że stop żelaza z węglem – jeden z kandydatów na składnik jądra Ziemi – w ekstremalnych warunkach przyjmuje stan superjonowy. Oznacza to, że:
- żelazo pozostaje w uporządkowanej, stałej sieci krystalicznej,
- lżejsze atomy węgla poruszają się swobodnie, jak w cieczy.
Efekt? Materiał jest zaskakująco miękki (ma niską prędkość fal ścinających), mimo że formalnie pozostaje „stały”.
To dokładnie to, czego od lat wymagały dane sejsmiczne, ale czego brakowało w eksperymentach.
Dlaczego dane sejsmiczne nie pasowały?
Nasza wiedza o wnętrzu Ziemi pochodzi głównie z sejsmologii. Fale generowane przez trzęsienia ziemi rozchodzą się różnie w zależności od tego, czy przechodzą przez ciała stałe, czy ciecze.
Problem polegał na tym, że:
- fale ścinające w jądrze wewnętrznym poruszają się zbyt wolno,
- a współczynnik sprężystości sugerował materiał „miękki jak masło”, nie „twardy jak stal”.
Klasyczny model nie potrafił tego wyjaśnić. Superjonowość – o której teoretycznie mówiono już wcześniej – okazała się brakującym elementem układanki.
Jak to udowodniono?
Badacze zastosowali dynamiczną kompresję szokową – jedną z najbardziej zaawansowanych metod symulowania warunków planetarnych. W skrócie:
- mikroskopijne pociski ze stopu żelaza i węgla
- wystrzelono z prędkością ponad 7 km/s
- w tarczę z fluorku litu,
- generując ciśnienia do 140 GPa i temperatury ~2600 K.
To mniej niż w samym jądrze wewnętrznym (tam panuje nawet 360 GPa i 6000 K), ale wystarczająco dużo, by odtworzyć kluczowe zachowania materii.
Pomiary wykonane w ułamkach mikrosekundy – z użyciem laserów i ultraszybkich czujników – pokazały dokładnie to, czego oczekiwali geofizycy: niską prędkość fal ścinających i właściwą sprężystość.
Superjonowość: stałe i ciekłe naraz
W superjonowym stanie:
- sieć krystaliczna żelaza działa jak szkielet,
- a atomy węgla „przepływają” przez nią, dyfundując jak w cieczy.
To eleganckie rozwiązanie starego problemu. Materiał nie topi się całkowicie, ale nie zachowuje się też jak klasyczne ciało stałe.
Badacze obrazowo opisują to jako sytuację, w której żelazo „stoi na posterunku”, a węgiel „tańczy między węzłami”.
Co to zmienia w naszym rozumieniu Ziemi?
Bardzo dużo.
- Rozwiązuje wieloletnią zagadkę sejsmiczną – dane wreszcie mają sens.
- Wskazuje, że jądro wewnętrzne nie jest statyczne, lecz dynamiczne.
- Może wpłynąć na modele pola magnetycznego Ziemi, które zależy od przewodnictwa i ruchu materii w głębi planety.
- Pomaga zrozumieć wnętrza egzoplanet i planet skalistych podobnych do Ziemi.
Zamiast „martwego, twardego jądra”, zaczynamy widzieć aktywny, złożony system, w którym materia zachowuje się w sposób dotąd uznawany za egzotyczny.
Od statyki do dynamiki
Jak podkreślają autorzy badania, kosmologia i geofizyka coraz częściej odchodzą od prostych, statycznych modeli. Jądro Ziemi nie jest bryłą – to proces.
Zrozumienie superjonowego stanu materii przybliża nas nie tylko do odpowiedzi na pytanie „co jest pod naszymi stopami”, ale też do pełniejszego obrazu tego, jak działają planety jako całość.
I to jest nauka w najlepszym wydaniu: jeden eksperyment, który porządkuje dekady niepewności.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie National Science Review .