Цивилизация
Новая работа российских и китайских химиков о свойствах химических элементов под большим давлением может коренным образом изменить представления о геохимии и строении недр Земли. Об этом «Газете.Ru» рассказал профессор Сколтеха Артем Оганов, автор статьи, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«В нашей последней работе мы определили изменение электроотрицательности под давлением для всех элементов, что поможет найти ответы на многие загадки геохимии. Некоторых элементов в земной коре аномально много, некоторых – аномально мало. Например, непонятно, где в Земле находится кремний. Кремния в мантии меньше, чем должно быть по предыдущим расчетам. Многие ученые высказывают гипотезу, что этот кремний может быть в огромных количествах спрятан в ядре», – пояснил Оганов.
Электроотрицательность является ключевым свойством атома – чем она ниже, тем охотнее атом отдает электрон, а чем выше, тем легче принимает. В конечном итоге, чем сильнее отличается электроотрицательность двух атомов, тем активнее протекают химические реакции между ними. Элементом с самой высокой электроотрицательностью является окислитель фтор, а с самой низкой – сильнейший восстановитель цезий. «Часто под экстремальным давлением электроотрицательность элементов меняется очень сильно, и иногда это приводит к радикальным практическим последствиям», – сказал ученый.
В качестве примера таких последствий Оганов приводит роль радиоактивного калия-40 в разогреве земного ядра, установленную примерно 15 лет назад.
«Геохимики делят химические элементы на литофильные, имеющие сродство к силикатным породам, и сидерофильные, обладающие сродством к железу. До недавнего времени считалось, что основные радиоактивные элементы, калий, торий и уран, распад которых приводит к разогреву недр, обладают литофильными свойствами. Это означает, что они концентрируются в силикатных породах мантии, и не склонны к растворению в земном ядре, состоящем из богатого железом сплава. Согласно этим представлениям, в ядре радиоактивных элементов должно быть примерно ноль, и это означало, что в нем нет источников тепла, что вело бы к быстрому охлаждению», – объяснил ученый.
Земное ядро состоит из твердой внутренней части и жидкой внешней, и по мере охлаждения твердая часть растет, а жидкая уменьшается. Оганов сказал, что ученые рассчитали скорость этого процесса, и в сценарии с быстрым охлаждением твердое ядро образовалось бы не более миллиарда лет назад. Без твердого ядра, в свою очередь, невозможно существования мощного магнитного поля Земли. В то же время, ученым доподлинно известно, что мощное магнитное поле существует более четырех миллиардов лет.
«Благодаря работам пятнадцатилетней давности удалось выяснить, что под давлением калий меняет свое химическое поведение и становится более сидерофильным. Соответственно, его концентрация в ядре может достигать примерно одной части на миллион, чего достаточно для радиоактивного разогрева. Таким образом, исследования по теоретической химии помогли разрешить важное противоречие в геофизике», – сказал Оганов.
Ученый выразил надежду, их новая работа приведет ко многим аналогичным по масштабу открытиям.