Внутреннее твёрдое металлическое ядро Земли, находящееся на глубине более 5 тысяч километров под нами, было обнаружено лишь в 1936 году. Спустя почти столетие мы всё ещё пытаемся ответить на основные вопросы о том, когда и как оно впервые образовалось.
Стоит отметить, что это непростые головоломки, ведь мы не в состоянии напрямую проверить внутреннее ядро, поэтому ключ к разгадке его тайн лежит в сотрудничестве между сейсмологами, которые косвенно пробуют его с помощью сейсмических волн, геодинамиками, которые создают модели его динамики, и физиками-минералистами, изучающими сплавы железа при высоких давлениях и температурах.
Объединив эти дисциплины, учёные получили важную подсказку о том, что происходит в нескольких километрах под нашими ногами. В новом исследовании они показывают, как внутреннее ядро Земли с одной стороны растёт быстрее, чем с другой, что может помочь объяснить возраст внутреннего ядра и рассказать интригующую историю магнитного поля Земли.
Изображение: Argonne National Laboratory/flickr, CC BY-NC-SA
Ранняя Земля
Ядро Земли сформировалось в самом начале 4,5-миллиардной истории нашей планеты, в течение первых 200 миллионов лет. Гравитация притягивала более тяжёлое железо к центру молодой планеты, оставляя позади твёрдые силикатные минералы, которые в итоге образовали мантию и кору.
Появление Земли сконцентрировало много тепла внутри планеты. Потеря этого тепла и нагревание в результате продолжающегося радиоактивного распада с тех пор определили эволюцию нашей планеты. Потеря тепла в недрах Земли приводит к интенсивному течению во внешнем ядре жидкого железа, которое создаёт магнитное поле Земли. Между тем, охлаждение в глубоких недрах Земли способствует тектонике плит, которые формируют поверхность нашей планеты.
Со временем Земля остыла, температура в центре планеты в конце концов опустилась ниже температуры плавления железа при экстремальных давлениях, и внутреннее ядро начало кристаллизоваться. Сегодня радиус внутреннего ядра продолжает увеличиваться примерно на 1 мм в год, что соответствует затвердеванию 8 тысяч тонн расплавленного железа каждую секунду. Через миллиарды лет это охлаждение в конечном итоге приведёт к тому, что всё ядро станет твёрдым, оставив Землю без защитного магнитного поля.
Основная проблема
Можно было бы предположить, что это затвердевание создаёт однородную твердую сферу, но это не так. В 1990-х годах учёные поняли, что скорость сейсмических волн, проходящих через внутреннее ядро, неожиданно изменилась. Это навело на мысль, что во внутреннем ядре происходит что-то асимметричное.
В частности, восточная и западная половины внутреннего ядра продемонстрировали различные вариации скорости сейсмических волн. Восточная часть внутреннего ядра находится под Азией, Индийским океаном и западной частью Тихого океана, тогда как западная — под Северной и Южной Америкой, Атлантическим океаном и восточной частью Тихого океана.
Изображение: Sanne Cottaar, Author provided
Новое же исследование с помощью использования новых сейсмических наблюдений в сочетании с геодинамическим моделированием и оценками поведения сплавов железа при высоком давлении смогло раскрыть эту загадку. В итоге учёные обнаружили, что восточное внутреннее ядро, расположенное под индонезийским морем Банда, растёт быстрее, чем западная сторона под Бразилией.
Чтобы понять, как это работает, достаточно этот неравномерный рост сравнить с попыткой приготовить мороженое в морозильной камере, которая работает только с одной стороны: кристаллы льда образуются только на той стороне мороженого, где охлаждение эффективно. На Земле неравномерный рост вызван тем, что остальная часть планеты высасывает тепло из одних частей внутреннего ядра быстрее, чем из других.
Но в отличие от мороженого, твёрдое внутреннее ядро подвергается действию гравитационных сил, которые равномерно распределяют новообразованые части в процессе ползучего внутреннего потока, благодаря чему поддерживается сферическая форма внутреннего ядра. Это означает, что Земля может не беспокоится относительно опрокидывания, хотя этот неравномерный рост действительно регистрируется в скорости сейсмических волн во внутреннем ядре нашей планеты.
Знакомство с ядром
Так помогает ли этот подход нам понять, сколько лет может быть внутреннему ядру? Когда исследователи сопоставили свои сейсмические наблюдения со своими моделями потоков, они обнаружили, что возраст внутреннего ядра — в центре всего ядра, которое сформировалось намного раньше — составляет от 500 до 1 500 миллионов лет.
В исследовании сообщается, что младшая часть этого возрастного диапазона лучше соответствует, хотя более старшая часть соответствует оценке, сделанной путём измерения изменений силы магнитного поля Земли. Какое бы число ни оказалось верным, ясно, что внутреннее ядро - относительно молодой человек, где-то между девятой частью и третью возраста самой Земли.
Эта работа представляет собой новую мощную модель внутреннего ядра. Однако, чтобы это оказалось правдой, необходимо, чтобы ряд физических предположений, сделанных авторами, был верным. Например, модель работает только в том случае, если внутреннее ядро состоит из одной определённой кристаллической фазы железа, относительно которой существует некоторая неопределённость.
Делает ли Землю необычной наше неровное внутреннее ядро? Оказывается, у многих планетных тел есть две половинки, которые чем-то отличаются друг от друга. На Марсе поверхность северной половины ниже, а южная — более гористая. Кора ближней стороны Луны химически отличается от коры обратной стороны. На Меркурии и Юпитере неравномерна не поверхность, а магнитное поле, которое отличается на севере и юге.
Таким образом, хотя причины всех этих асимметрий различны, Земля, похоже, находится в хорошей компании однобоких небесных тел солнечной системы как слегка асимметричная планета.
