По неизвестни причини твърдото желязо във вътрешното ядро ​​на Земята расте по-бързо в една посока в сравнение с друга преди повече от половин милиард години според ново проучване на сеизмолози от Калифорнийския университет в Бъркли.

Новият растеж на ядрото от железни кристали, които се образуват при охлаждането на разтопеното желязо, се разпределя равномерно под влияние на гравитацията, която поддържа сферично вътрешно ядро, което нараства в радиус средно с 1 милиметър годишно.

И въпреки това изглаждащо влияние на гравитацията, по-бързият растеж под морето Банда в Индонезия предполага, че нещо във външното ядро ​​или мантията на Земята под Индонезия отнема топлината от вътрешното ядро ​​с по-бързи темпове, отколкото в противоположната страна, под Бразилия.

По-бързото охлаждане от едната страна би ускорило кристализацията на желязото и растежа на вътрешната сърцевина от тази страна.

Това има последици за магнитното поле на Земята и нейната история, тъй като конвекцията във външното ядро, задвижвана от отделяната топлина от вътрешното ядро, всъщност задвижва динамото, което генерира магнитното поле, предпазващо ни от опасните слънчеви частици.

Растеж и движение на кристалите във вътрешното ядро ​​на Земята

^{Нов модел на сеизмолози от Калифорнийския университет в Бъркли предполага, че вътрешното ядро ​​на Земята да расте по-бързо от източната му страна (вляво), отколкото от западната. Гравитацията изравнява асиметричния растеж чрез изтласкване на железни кристали към северния и южния полюс (стрелките). Тя се стреми да подравнява дългата ос на железните кристали по оста на въртене на планетата (пунктираната линия), обяснявайки различните времена на преминаване на сеизмичните вълни през вътрешното ядро. Кредит: Графика на Марин Лаблес (Marine Lasbleis).}

„Предполагаме доста свободни граници на възрастта на вътрешното ядро ​​- между половин милиард и 1,5 милиарда години - което може да бъде от полза за дебата как е генерирано магнитното поле преди съществуването на твърдото вътрешно ядро“, споделя Барбара Романович (Barbara Romanowicz), професор в Университета в Бъркли в Катедрата за науки за Земята и планетите и почетен директор на сеизмологичната лаборатория в Бъркли (BSL). „Знаем, че магнитното поле е съществувало отпреди 3 милиарда години, така че други процеси трябва да са задвижвали конвекцията във външното ядро ​​по това време.“

Младата възраст на вътрешното ядро ​​може да означава, че в началото на историята на Земята топлината, загряваща течното ядро, идва от леки елементи, отделящи се от желязото, а не от кристализацията на желязото, което виждаме днес.

„Дебатите за възрастта на вътрешното ядро ​​продължават отдавна“, коментира Даниел Фрост (Daniel Frost), учен от проекта в BSL. „Сложността е: Ако вътрешното ядро ​​е можело да съществува само от 1,5 милиарда години, въз основа на това, което знаем за това как губи топлина и колко е горещо, тогава откъде идва по-старото магнитно поле? Оттам идва идеята за наличието на разтворени леки елементи, които след това се втвърдяват".

Втвърдяващо се желязо

Асиметричният растеж на вътрешното ядро ​​обяснява загадка от три десетилетия - че кристализираното желязо в сърцевината изглежда се подравнява с предимство по оста на въртене на Земята, по-скоро на запад, отколкото на изток, макар да се очаква кристалите да са ориентирани произволно.

Доказателства за това изравняване идват от измерванията на времето за преминаване на сеизмични вълни от земетресения през вътрешното ядро. Сеизмичните вълни се движат по-бързо в посока на оста на въртене север-юг, отколкото по екватора, асиметрия, която геолозите приписват на железните кристали - които са асиметрични - като техните дълги оси са преференциално подравнени по оста на Земята.

Ако ядрото е от твърдо кристално желязо, как кристалите на желязото се ориентират преференциално в една посока?

В опит да обяснят наблюденията, Фрост, Марин Лаблес (Marine Lasbleis) от Университета на Нант във Франция и Брайън Чандлър (Brian Chandler) и Романович от Калифорнийския университет в Бъркли създават компютърен модел на растежа на кристалите във вътрешното ядро, който включва геодинамичните модели на растеж и минералната физика на желязото при високо налягане и висока температура.

"Най-простият модел изглеждаше малко необичаен - че вътрешното ядро ​​е асиметрично", обяснява Фрост. „Западната страна изглежда различно от източната страна чак до центъра, а не само в горната част на вътрешното ядро, както предполагат някои. Единственият начин да обясним това е, че едната страна расте по-бързо от другата".

Моделът описва как асиметричният растеж - с около 60% по-висок в източната част в сравнение със западната част - може преференциално да ориентира железните кристали по оста на въртене, с по-голямо изравняване на запад, отколкото на изток, и обяснява разликата в скоростта на сеизмичните вълни във вътрешната ядро.

„Това, което предлагаме в тази статия, е модел на еднопосочна твърда конвекция във вътрешното ядро, който съвместява сеизмичните наблюдения и правдоподобните геодинамични гранични условия“, отбелязва Романович.

Фрост, Романович и техните колеги ще докладват своите констатации в изданието от списание Nature Geoscience тази седмица.

Проучване на вътрешността на Земята със сеизмични вълни

Вътрешността на Земята е напластена като лук. Твърдото вътрешно ядро ​​от желязо и никел - днес с радиус 1200 километра или около три четвърти от размера на Луната - е заобиколено от течно външно ядро ​​от разтопено желязо и никел с дебелина около 2400 километра. Външното ядро ​​е заобиколено от мантия от гореща скала с дебелина 2900 километра и покрита с тънка, хладна, скалиста кора на повърхността.

Конвекция възниква както във външното ядро, което бавно кипи заради топлината от кристализиращото желязо излиза от вътрешното ядро, така и в мантията, докато по-горещата скала се движи нагоре, за да пренесе тази топлина от центъра на планетата на повърхността. Интензивното кипене във външното ядро ​​на течното желязо създава магнитното поле на Земята. 

Според компютърния модел, докато железните кристали растат, гравитацията преразпределя излишния растеж на изток към запад във вътрешното ядро. Това движение на кристали в доста мекото твърдо тяло на вътрешното ядро ​​- което е близо до точката на топене на желязото при тези високи налягания - подравнява кристалната решетка по оста на въртене на Земята в по-голяма степен на запад, отколкото на изток.

Моделът правилно прогнозира новите наблюдения на изследователите за времето за преминаване на сеизмичните вълни през вътрешното ядро: Анизотропията или разликата във времената на преминаване, успоредни и перпендикулярни на оста на въртене, се увеличава с дълбочината и най-силната анизотропия се измества на запад от земната ос на въртене с около 400 километра.

Моделът на вътрешния растеж на ядрото също така ограничава дела на никела спрямо желязото в центъра на Земята, разказва Фрост. Моделът не възпроизвежда точно сеизмични наблюдения, освен ако никелът не съставлява между 4% и 8% от вътрешното ядро ​​- което е близо до състава на металните метеорити, които някога вероятно са били ядра на планетите джуджета в нашата Слънчева система. Моделът също така показва на геолозите колко вискозно или течно е вътрешното ядро.

Справка:

“Dynamic history of the inner core constrained by seismic anisotropy” by Daniel A. Frost, Marine Lasbleis, Brian Chandler and Barbara Romanowicz, 3 June 2021, Nature Geoscience.
DOI: 10.1038/s41561-021-00761-w

Източник: Is Earth’s Core Lopsided? Something Strange Is Going On in Our Planet’s Interior, Scitech daily

Още по темата

14/05/2020

Земята

Растящи планини или диференциално въртене? Какво се случва в земното ядро

21/01/2020

Земята

Древни австралийски кристали разкриват историята на първото магнитно поле на Земята

31/01/2019

Земята

Земното ядро ​​се е втвърдило точно навреме, за да запази магнитното поле

22/10/2018

Земята

Вътрешното ядро на Земята е твърдо, но подобно на златото и платината