Глубоко под ногами, в раскалённой мантии, железо ведёт двойную жизнь. Оно может быть двухвалентным или трёхвалентным — как монетка, которая ложится орлом или решкой. От того, какая сторона преобладает, зависит, сколько кислорода останется в каменной оболочке планеты, а сколько уйдёт в ядро. Но что происходит с железом, когда давление вырастает до миллионов атмосфер, оставалось загадкой.
Чтобы заглянуть в эти глубины, учёные взяли стёкла, похожие по составу на базальты и перидотиты, и обогатили их особым изотопом железа-57. Затем образцы сжали в алмазной наковальне (устройстве, где два алмаза давят на образец) до 174 гигапаскалей — это как если бы на ноготь поставили гору Эверест. С помощью синхротронного излучения (очень яркого рентгена) они следили за спектрами — своеобразными отпечатками, которые рассказывают о состоянии атомов железа.
Этот переход обратим: когда давление снимают, всё возвращается назад. Но пока оно есть, низкоспиновое двухвалентное железо становится более стабильным, и трёхвалентное железо начинает восстанавливаться до двухвалентного. В результате доля окисленного железа в мантии сначала растёт с глубиной, достигает максимума при давлении около 40 гигапаскалей, а затем падает.
Самое интересное, что этот пик совпадает с давлением, при котором, как считается, на молодой Земле происходило разделение ядра и мантии. Если бы давление было чуть ниже или выше, окисленность мантии оказалась бы иной. Возможно, именно это «золотое» давление подарило Земле уникальную химию, а с ней и условия для жизни.
как её написали авторы, на английском arXiv:2606.15472
The Earth's mantle has elevated Fe$$^{3+}$$ relative to those of other rocky bodies, yet the oxidation- and electronic state of iron at extreme pressures is poorly known. We present in-situ energy-domain synchrotron M\"ossbauer spectra of $$^{57}$$Fe-enriched silicate glasses at 298 K from 1 bar to 174 GPa in a diamond anvil cell. Glasses were synthesised with Fe$$^{3+}$$/[Fe$$^{3+}$$ + Fe$$^{2+}$$] from 0.02 $$\pm$$ 0.02 to 1.00 $$\pm$$ 0.02, as determined by colourimetry. While pure Fe$$^{3+}$$-basaltic glass shows minimal changes up to 174 GPa, the spectra of Fe$$^{2+}$$-peridotitic and basaltic glasses are fit by two doublets, D$$_1$$ and D$$_2$$. At 1 bar, their relative intensities are $$\sim$$92 % and $$\sim$$8 %, respectively, but the integral area ratio, D$$_2$$/(D$$_1$$ + D$$_2$$), reaches 0.65 by 172 GPa. Because this transition is reversible with pressure and no metallic iron is detected, the D$$_2$$ feature is Fe$$^{2+}$$ low spin (LS), whereas D$$_1$$ is Fe$$^{2+}$$ high spin (HS). Consequently, the Fe$$^{3+}$$/[Fe$$^{3+}$$+Fe$$^{2+}$$] of planetary mantles reach a maximum near $$\sim$$40 GPa, before decreasing at higher pressures due to the stabilisation of Fe$$^{2+}_{\mathrm{{LS}}}$$. This peak coincides with estimated core-mantle equilibrium on Earth, implying that its uniquely oxidised mantle and habitable state may result from core formation within a Goldilocks pressure range. Secondary atmospheres are predicted to transition from H$$_2$$-rich for Moon-sized bodies, to CO-rich for Earth-like planets and H$$_2$$- and CH$$_4$$-bearing around super-Earths and sub-Neptunes.
Давление в 174 гигапаскаля, достигнутое в эксперименте, более чем в 1,7 миллиона раз превышает атмосферное. При таком давлении алмазные наковальни иногда взрываются, хотя образец меньше песчинки.
В романе «Свидание с Рамой» Артура Кларка инопланетный корабль имеет внутреннее строение, напоминающее планету с ядром и мантией, где давление и химия создают замкнутую экосистему.