Различные изотопы одного и того же элемента ведут себя практически одинаково, за исключением нескольких частных случаев внешних условий, в частности, областей с неравномерной температурой. Если речь идет, например, о медленно твердеющей магме, тяжелые изотопы будут диффундировать не так, как легкие. Этот эффект был открыт еще в 90-х годах прошлого века и до сих пор его причина была не ясна. Благодаря компьютерному моделированию, ученые из США нашли способ объяснить загадочное разделение изотопов в расплавленной породе при помощи законов классической физики.

Проведенные численные эксперименты показывают, что молекулы, содержащие более тяжелые атомы, передают свой большой импульс легким частицам при переходе от горячих областей к более холодным. Проделанная работа поможет дать новое понимание магмы и физики камней, которые формируются из нее.

Идея о том, что колебания температуры могут способствовать химической дифференциации Земли, появилась еще в XIX веке, благодаря швейцарскому химику Чарльзу Соре (Charles Soret). Для газов эффект Соре (также получивший название термофореза) был объяснен еще в 1930 году при помощи классической теории. Но тот факт, что

аналогичное явление может происходить и в магме (точнее, что в магме могут самопроизвольно выделять изотопы) был доказан в лабораторных условиях только в конце 1990-х годов.

В расплавленных породах более тяжелые изотопы таких элементов, как магний, кальций и железо, как правило, концентрируются в менее нагретых областях, в то время как более легкие изотопы «предпочитают» более нагретые области. Разница между концентрациями, как правило, не велика – порядка 1%. Но объяснения этого факта, по мнению группы ученых из University of California (США), очень не хватало в науках о Земле.

Существовали различные теории относительно причин возникновения изотопного разделения. В частности, не так давно была опубликована работа, предполагавшее влияние квантовых эффектов.

Однако, совместная группа ученых из Case Western Reserve University и University of California (США) начала поиски «классического» объяснения феномена. Подробные результаты их работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Для начала команда провела ряд экспериментов по разделению изотопов. Они рассмотрели более широкий спектр элементов, чем их предшественники, в том числе уран и гафний, чтобы улучшить точность сравнения теории и эксперимента. Ученые исследовали образцы расплавленного силиката магния, содержащего небольшие примеси других элементов, при градиенте температур более чем 400 градусов по шкале Цельсия на расстоянии в 1 см. Стоит отметить, что перед началом измерений указанная разница температур сохранялась в образце в течение месяца. После того, как источник тепла был выключен, а образец затвердел, ученые измерили концентрацию различных изотопов и выяснили, что в холодных областях концентрация тяжелых изотопов была примерно на 1% выше, чем в горячих областях, как и предполагалось перед началом работы.

После этого ученые использовали теорию 1930-х годов, первоначально предназначенную для газов, для предсказания степени разделения изотопов при тех же условиях. Оказалось, что проведенный расчет хорошо согласуется с полученными результатами.

На третьем этапе исследований ученые провели компьютерное моделирование молекул в жидкости, представляя их как классические частицы. И результат снова оказался хорошо согласующимся с теоретическими предсказаниями.

Таким образом, ученые доказали применимость теории.

По мнению коллег ученых, опубликованная работа может пролить свет на процессы, посредством которого магма превращается в скалы. В частности, она, вероятно, поможет ученым понять природу таинственного тонкого слоя расплавленной породы, находящегося между твердой мантией Земли и ее жидким железным ядром.