Forskare har funnit att jordens inre kärna existerar i ett superjoniskt tillstånd, där kolatomer rör sig fritt genom ett fast järnrist, vilket förklarar dess oväntat mjuka beteende. Detta fynd, bekräftat genom experiment som simulerar kärnans förhållanden, löser långvariga seismiska pussel. Resultaten tyder på att kärnans dynamik också kan stödja planetens magnetfält.
Jordens inre kärna, en tät sfär av järn och lätta element under extremt tryck överstigande 3,3 miljoner atmosfärer och temperaturer runt 2600 kelvin, har länge förbryllat forskare. Trots att den är fast uppvisar den egenskaper som mjuknat metall, med seismiska skjuvvågor som saktar ner och en Poissons kvot som liknar smör snarare än stål.
En studie publicerad i National Science Review ger ett genombrott i förklaringen. Ledd av prof. Youjun Zhang och Dr. Yuqian Huang från Sichuan University, tillsammans med prof. Yu He från Kinas vetenskapsakademis institut för geokemi, visar teamet att järn-kol-legeringar i den inre kärnan går in i en superjonisk fas. I detta tillstånd diffunderar kolatomer snabbt genom den stabila järnramen, liknande vätskeförflyttning inom en fast struktur, vilket avsevärt minskar legeringens styvhet.
"För första gången har vi experimentellt visat att järn-kol-legering under inre kärnans förhållanden uppvisar en anmärkningsvärt låg skjuvhastighet," sade prof. Zhang. "I detta tillstånd blir kolatomer mycket mobila och diffunderar genom den kristallina järnramen som barn som väver sig genom en fyrkantig dans, medan järnet självt förblir fast och ordnat."
Bevisen kom från dynamiska stöttrycks-experiment, där prover accelererades till 7 kilometer per sekund för att nå 140 gigapascal och temperaturer nära kärnan. Kombinerat med molekylär dynamiksimuleringar och in situ ljudhastighetsmätningar visade resultaten en skarp minskning av skjuvvåghastighet och en ökning av Poissons kvot, vilket stämmer med observerad seismisk data.
Denna superjoniska modell förklarar seismisk anisotropi – variationer i våghastigheter efter riktning – och ger nya insikter i geodynamon. Rörelsen hos lätta element kan ge en ytterligare energikälla för jordens magnetfält.
"Atomdiffusion inom den inre kärnan representerar en tidigare förbisedd energikälla för geodynamon," sade Dr. Huang. "Förutom värme och sammansättningskonvektion kan den vätskelliknande rörelsen hos lätta element hjälpa till att driva jordens magnetiska motor."
Forskningen skiftar synen från en statisk inre kärna till en dynamisk, med implikationer för förståelsen av steniga planeter och exoplaneter. Den finansierades av Kinas nationalfonds för naturvetenskap och andra program.