Магнитное поле Земли не может жить без никеля

Ученые из Венского технического университета выяснили, что концепция геодинамики зависит не только от железа: важнейший компонент для магнитного поля Земли — никель. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Магнитное поле Земли можно «разглядеть» благодаря компасу, но объяснить, почему оно появилось, достаточно сложно. Горячее ядро планеты, состоящее преимущественно из железа, безусловно, играет важную роль для магнитного поля: в сочетании с вращением Земли оно формирует так называемый эффект динамо. При определенном движении проводящей ток жидкости возникает своеобразный генератор электрического тока, в результате чего образуется магнитное поле. Но одно только железо не может участвовать в его создании.

Согласно расчетам австрийских и немецких ученых теорию геодинамики нужно пересмотреть. Оказалось, что решающую роль в возникновения магнитного поля играет никель, который в экстремальных условиях ведет себя не так, как железо. В ядре Земли содержится до 20% никеля.

По размерам ядро Земли сопоставимо с Луной, а по температуре — с поверхностью Солнца. Давление в ядре составляет сотни гигапаскалей, как если несколько товарных локомотивов давили бы на точку площадью в один квадратный миллиметр. Воссоздать такие условия в лаборатории сложно, но компьютерное моделирование позволяет рассчитать, как поведет себя металл в ядре Земли на квантомеханическом уровне.

Жар, который испускает ядро Земли, выходит из недр планеты. Горячее вещество поднимается до внешних слоев земного шара, создавая конвекционные токи. В то же время из-за вращения Земли возникает сила Кориолиса. В сочетании эти эффекты создают сложный спиральный поток горячего вещества, в результате чего возникает электрический ток. Далее благодаря электрическому возникает магнитное поле, и впоследствии оно достигает такой мощности, что его можно измерить даже на поверхности планеты.

Раньше никто не мог объяснить, как именно возникают конвекционные токи: железо очень хорошо проводит тепло, а при высоком давлении делает это еще лучше. Если бы ядро Земли состояло только из железа, то его свободные электроны могли бы сами вырабатывать тепло, и у Земли бы не было магнитного поля.

Однако ядро состоит еще и из никеля, но ученые долгое время не придавали этому никакого значения. Под давлением никель ведет себя иначе, чем железо. При высоком давлении электроны в этом металле рассеиваются намного больше, чем электроны в железе. В результате теплопроводность никеля и, как следствие, теплопроводность ядра в целом намного ниже, чем в ядре, которое состояло бы только из железа.

В ходе эксперимента были проанализированы различные металлические структуры, а также рассчитано поведение их электронов. Компьютерное моделирование позволило оценить поведение не только железа и никеля, но и их сплавов. Полученные результаты помогут лучше понять природу магнитного поля Земли и выяснить, как электроны рассеиваются в разных материалах.