Сдавить и сжечь: Превращение в проводник
Казалось бы, в наше время относительно вращения Земли не может быть никаких вопросов. Но это не совсем так. К примеру, известно, что процесс этот не строго постоянен: время, необходимое нашей планете на полный оборот, слегка меняется — меняется и продолжительность суток с течением года. Замечены и слабые периодические отклонения оси, которые не связаны с известными периодическими ее колебаниями.
Скорее всего, подобные проявления связаны с тем, что твердое железное внутреннее ядро, расплавленное внешнее ядро и мантия вращаются с незначительно отличающимися скоростями, которые могут выравниваться за счет трения. Магнитное поле внешнего ядра воздействует на внутреннее ядро, но для того, чтобы теория соответствовала наблюдениям, это магнитное поле также должно действовать и на мантию.
Проблема состоит в том, что это невозможно — или мантия должна каким-то образом проводить электричество. Но, насколько известно, она состоит, в основном, из оксидов кремния, магния и железа (II) — а они ток не проводят.
Впрочем, еще в 1980-х было замечено, что на большой глубине, в условиях изрядной температуры и высокого давления их свойства могут меняться, и электричество может проходить сквозь них. Для этого нужно взять монооксид железа и сжать ударной волной так сильно, что взаимное расположение атомов железа и кислорода в нем изменится, и электроны смогут несколько свободнее путешествовать от одних к другим.
Уже в наши дни эти результаты привлекли внимание японского исследователя Кенжи Охта (Kenji Ohta), который решил проверить, достаточно ли экстремальны условия, имеющиеся в земной мантии, для того, чтобы оксид железа (II) мог претерпеть такое превращение. Вместе с коллегами ученый взял небольшой кусочек оксида, раскалил его с помощью лазера и сжал в алмазной наковальне — параллельно измеряя проводимость образца и следя за его кристаллической решеткой с помощью рентгеновских лучей. Авторы показали, что при давлении около 700 тыс. атмосфер и температуре 1600 °C непроводящий при обычных условиях FeO становится полноценным проводником.
Интересно, что при этом в кристаллической решетке образца не удалось наблюдать никаких структурных перестроек. Судя по всему, в основе чудесного превращения лежит иной механизм. В обычном, непроводящем состоянии FeO все потенциально свободные электроны надежно удерживаются атомами железа и не могут путешествовать по кристаллу, как электроны в проводящих металлах. Зато эти электроны могут ориентироваться во внешнем магнитном поле наподобие крошечных стрелок компаса (образец намагничивается). При высокой температуре и давлении электроны начинают перескакивать из одного состояния в другое — то «намагниченное», то нет, и в процессе ослабляют связь с атомом железа. В результате они могут свободно перемещаться по кристаллу, без того, чтобы тот менял свою структуру.
На этом авторы не остановились, и продолжили давить на образец — вплоть до поразительных 1,4 млн атмосфер при 2200 °C — и проводящие свойства FeO сохранялись. Они уверены, что сохранятся они и при 3430 °C, характерной для границы, разделяющей земное ядро и мантию. А раз уж здесь FeO может находиться в проводящей форме, то он может объяснять и некоторые тонкости колебаний земного вращения. Некоторые — но не все. Если его в этой области, как считается, 9%, то оксида железа (II) недостаточно. Либо же он присутствует здесь в особо высоких количествах (до 90%), либо в процессе должны участвовать и другие соединения.
По публикации ScienceNOW