新研究发现，碳使得地球熔融的地核得以冻结成固态内核，从而稳定了保护地球的磁场。没有碳，地球的深部以及地球上的生命可能会截然不同。
研究人员表明，地核若要开始结晶，其碳含量需达到3.8%。这一结果表明，地核中的碳含量可能比之前认为的更为丰富，并且这种元素可能在地核凝固过程中发挥了关键作用，为我们了解地球核心发生的过程提供了难得的视角。
地球的内核，即我们星球中心富含铁的固态物质，正随着周围熔融态外核的冷却和凝固而缓慢增长。但数十年来，这一过程一直是科学家们争论的焦点。
内核的形成不仅仅取决于地核冷却到其凝固点的时间，还涉及到一个依赖于其精确化学成分的结晶过程。就像云层中的水滴需要过冷到-30°C才能形成冰雹一样，熔融的铁也需要过冷（冷却到其熔点以下）才能凝固。
先前的计算表明，如果地核由纯铁构成，则需要800-1000°C的过冷度才能启动凝固。
然而，研究人员指出，如果地核过冷到这种程度，内核将会过度增长，地球的磁场也会失效。但在地球的历史上，这两种情况都未曾发生。相反，科学家认为，在过去，地核的冷却温度不可能低于其熔点约250°C以上。
这项新研究旨在理解，在历史上过冷度如此有限的情况下，内核是如何形成并维持我们今天所观测到的状态的。由于无法直接接触地球深部，研究团队不得不依赖计算机模拟凝固过程。
他们研究了其他元素（特别是硅、硫、氧和碳）的存在，以及这些元素可能如何影响凝固过程。
合著者、牛津大学地球科学系的Andrew Walker副教授解释说："这些元素中的每一种都存在于上覆的地幔中，因此在地球历史进程中可能已经溶解到地核中。因此，这可以解释为什么我们拥有一个固态内核，且在该深度所需的过冷度相对较小。其中一种或多种元素的存在，也可以解释为什么地核的密度低于纯铁，这是地震学的一个关键观测结果。"
研究团队利用原子尺度的计算机模拟，模拟了约100,000个原子在相当于内核深处的过冷温度和压力下的行为，追踪了液态中形成微小晶体状原子簇的频率。这些"成核"事件是迈向凝固的第一步。
他们的发现令人惊讶：硅和硫——通常被认为存在于地核中的元素——实际上减缓了凝固过程。换句话说，如果地球这一部分富含这些元素，则需要更大的过冷度才能开始形成内核。
另一方面，他们发现碳在模拟中有助于加速凝固。
在这项研究中，研究人员测试了如果地核质量的2.4%由碳构成，凝固内核需要多大的过冷度。结果是：大约420°C，仍然过高，但这是迄今为止最接近可行性的结果。
但是，当他们将结果外推到地核质量的3.8%为碳的情况时，所需的过冷度下降到了266°C。这是已知唯一既能解释成核现象，又能解释内核观测尺寸的化学成分。
这一结果表明，地核中的碳含量可能比之前认为的更为丰富，并且如果没有这种元素，固态内核的形成可能永远不会发生。
这些实验还表明，只要化学成分恰到好处，内核凝固是可能的，而且不同于水形成冰雹的过程，内核凝固时并不需要"成核种子"（即有助于启动凝固的微小颗粒）。这一点至关重要，因为在先前的模拟测试中，所有被认为是地核中可能的成核种子候选物都熔化了或溶解了。
该研究的主要作者、利兹大学地球与环境学院的Alfred Wilson博士说："看到原子尺度的过程如何控制着我们行星的基本结构和动力学，这令人兴奋。通过研究地球内核的形成，我们不仅是在了解地球的过去。我们正在获得一个难得的视角，去窥探一个我们永远无法直接到达的区域的化学组成，并了解它在未来可能如何变化。"
几十年来，科学家们一直在争论内核开始固化的时间，一些人认为内核古老（凝固始于20多亿年前），另一些人则认为内核年轻得多（不到5亿年）。有了关于地核碳含量的这一新信息，我们在限定地核的化学组成和物理性质，进而理解其演化过程方面，又向前迈进了一步。
这项工作由自然环境研究理事会（NERC）资助。