Твёрдое внутреннее ядро Земли состоит из сплава железа, никеля и более лёгких элементов, из которых наиболее вероятными являются Si, S, O, H и C. Для определения химического состава внутреннего ядра необходимо установить диапазоны возможных составов, которые могли бы объяснять его наблюдаемые свойства. В последнее время возросло число публикаций, в которых в качестве возможных лёгких элементов ядра рассматриваются С и Н, но результаты этих исследований весьма противоречивы. Настоящая статья посвящена теоретическому исследованию систем Fe — C и Fe — H при давлениях внутреннего ядра Земли (330 — 364 ГПа) на основе первопринципных расчётов. С помощью эволюционного алгоритма USPEX предсказаны структуры всех возможных карбидов (FeC, Fe₂C, Fe₃C, Fe₄C, FeC₂, FeC₃, FeC₄, Fe₇C₃) и гидридов (Fe₄H, Fe₃H, Fe₂H, FeH, FeH₂, FeH₃, FeH₄) с минимальной энтальпией. Установлено, что при давлениях внутреннего ядра Fe₂C (пространственная группа Pnma) является наиболее стабильным карбидом, а FeH, FeH₃ и FeH₄ представляют собой наиболее стабильные гидриды. Для Fe₃C при этих условиях структура цементита (пространственная группа Pnma) и недавно найденная методом случайной выборки структура Cmcm оказались менее устойчивыми, чем предсказанные нами структуры с пространственными группами I-4 и C2/m. Обнаружено, что FeH₃ и FeH₄ образуют интересные с точки зрения кристаллохимии термодинамически устойчивые структуры, в которых железо трёхвалентно. Плотность ядра при релевантных значениях давления и температуры хорошо согласуется с таковой для сплава железа с разумным содержанием углерода: 11 — 15 молярных (2,6 — 3,7 весовых) процентов, что даёт верхний предел содержания C во внутреннем ядре. Полученные значения, характерные для углистых хондритов СI, соответствуют средней атомной массе в диапазоне 49,3 — 51,0, что хорошо согласуется с выводами из закона Бёрча для внутреннего ядра. Полученные аналогичным образом верхние оценки содержания H нереалистично велики: 17 — 22 молярных (0,4 — 0,5 весовых) процентов, что соответствует средней атомной массе ядра 43,8 — 46,5. Углерод является более вероятным, чем водород, лёгким элементом внутреннего ядра.

PACS: 61.50.Ah, 61.50.Ks, 61.50.Nw, 61.66.Fn, 64.30.−t, 91.60.Fe (все) DOI: 10.3367/UFNr.0182.201205c.0521 URL: https://ufn.ru/ru/articles/2012/5/c/ 000307559000003 2-s2.0-84864990959 2012PhyU...55..489B Цитата: Бажанова З Г, Оганов А Р, Джанола О "Системы Fe — C и Fe — H при давлениях внутреннего ядра Земли" УФН 182 521–530 (2012) BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)Medline RefWorks Русский English RT Journal T1 Системы Fe -- C и Fe - H при давлениях внутреннего ядра Земли A1 Бажанова,З.Г. A1 Оганов,А.Р. A1 Джанола,О. PB Успехи физических наук PY 2012 FD 10 May, 2012 JF Успехи физических наук JO Усп. физ. наук VO 182 IS 5 SP 521-530 DO 10.3367/UFNr.0182.201205c.0521 LK https://ufn.ru/ru/articles/2012/5/c/ Поступила: 13 декабря 2011, доработана: 22 февраля 2012, одобрена в печать: 17 февраля 2012 English citation: Bazhanova Z G, Oganov A R, Gianola O “Fe — C and Fe — H systems at pressures of the Earth’s inner core” Phys. Usp. 55 489–497 (2012); DOI: 10.3367/UFNe.0182.201205c.0521