Вимірювання теплопровідності твердого заліза при екстремальних тисках і температурах, характерних для ядра Землі, дозволило пояснити генерацію магнітного поля планети.
Земля, як і багато інших небесних тіл, володіє магнітним полем, яке відіграє в нашому житті величезну роль. Воно захищає нас від енергійних заряджених частинок сонячного вітру, що несуть загрозу життю на нашій планеті, дозволяє орієнтуватися за допомогою компаса, а його обурення - магнітні бурі впливають на наше самопочуття і роботу техніки.
Однак, незважаючи на багаторічні дослідження, фізики так до кінця і не з'ясували механізм його освіти. В даний час основним поясненням походження магнітного поля планет вважається магнітне динамо, зване також геодинамо.
Головну роль у ньому відіграє те, що земне ядро складається з твердого внутрішнього ядра і рідкого (розплавленого) зовнішнього ядра. Тепло, що виділяється у внутрішньому ядрі в результаті ядерних реакцій, призводить до складного конвективного руху рідкої речовини в зовнішньому ядрі, подібно до того, як вогонь під каструлею змушує рухатися в ній воду. Обертання Землі навколо осі перетворює цю систему на динамо-машину, що генерує магнітне поле.
Така модель, хоча і непогано описує властивості магнітних полів планет земної групи, тим не менш, має цілий ряд невирішених проблем. Одна з них, - виявлений у 2012 році так званий «новий парадокс ядра». Його суть в тому, що за сучасними уявленнями тверде ядро утворилося близько півтора мільярдів років тому, отже, механізм геодинамо повинен був запрацювати приблизно в той же час. Однак палеомагнітні дослідження, засновані на тому, що розплавлена порода, застигаючи «запам'ятовує» напрямок магнітного поля, показують, що магнітне поле Землі існувало вже близько 3,5 мільярдів років тому.
Для пояснення парадоксу необхідно точно встановити теплопровідність матеріалу твердого ядра Землі, яке складається головним чином із заліза. Однак у центрі планети залізо знаходиться в екстремальних умовах: при величезних тисках і температурах, тому його властивості можуть значно відрізнятися від вимірених на поверхні.
Це завдання вирішив міжнародний колектив фізиків під керівництвом колишнього співробітника Інституту кристалографії РАН Олександра Гончарова, який зараз представляє Вашингтонський Інститут Карнегі (США). Для створення високого тиску вони скористалися інструментом під назвою комірка з магнітними ковадлами. У ній залізний зразок розміщувався між алмазними «ковадлами», як у лещатах. Стискаюче зусилля передавалося на робочі майданчики малого діаметру, де завдяки винятковій твердості алмаза досягався величезний тиск. Потрібна температура досягалася нагрівом зразка лазером прямо через прозорий алмаз.
Таким чином, дослідникам вдалося виміряти теплопровідність заліза при тисках від 345 000 до 1,3 мільйона разів великих нормального атмосферного тиску і температурах в інтервалі 1300-2700 градусів Цельсія. Ці умови відповідають ядрам планет з розмірами від Меркурія до Землі. Результати досліджень опубліковані в журналі Nature.
Досить низькі отримані значення теплопровідності твердого заліза дозволили авторам роботи зробити висновок, що механізм геодинамо повинен працювати з самого початку історії Землі. А тверде ядро повинно мати той же вік.
За матеріалами Інституту Карнегі