Группа исследователей обнаружила, что внутреннее ядро Земли представляет собой не однородную массу, а сложный «гобелен» из различных тканей. Это исследование позволяет по-новому взглянуть на формирование, эволюцию Земли и создание ее защитного магнитного поля.
Исследователи из Университета штата Юта обнаружили, что внутреннее ядро Земли представляет собой не однородную массу, а сложный гобелен из различных тканей. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, получены на основе сейсмических данных, полученных в результате землетрясений, и данных, полученных с помощью измерительных приборов ОДВЗЯИ. Они позволяют предположить, что первоначально внутреннее ядро росло быстро, со временем замедлилось и, возможно, внутри него находится жидкое железо.
В центре Земли находится твердый металлический шар, своего рода «планета в планете», существование которой делает возможной жизнь на поверхности, по крайней мере, в том виде, в котором мы ее знаем.
Как формировалось, росло и эволюционировало с течением времени внутреннее ядро Земли, остается загадкой, которую группа исследователей из Университета штата Юта пытается разгадать с помощью сейсмических волн, возникающих в результате естественных землетрясений. Хотя эта сфера диаметром 2 442 км составляет менее 1% от общего объема Земли, ее существование отвечает за магнитное поле планеты, без которого она была бы совсем другой.
Однако внутреннее ядро не является однородной массой, как предполагали ученые, а скорее напоминает гобелен из различных «тканей», считает Гуаннинг Панг, бывший докторант кафедры геологии и геофизики Университета Юты.
«Впервые мы подтвердили, что такого рода неоднородности присутствуют повсюду во внутреннем ядре», — сказал Панг. В настоящее время Панг является постдокторантом Корнельского университета и ведущим автором нового исследования, опубликованного 5 июля в журнале Nature, которое открывает окно в самые глубины Земли. Он проводил это исследование в рамках своей докторской диссертации в университете штата Юта.
Другой последний рубеж
«Цель нашего исследования — попытаться заглянуть внутрь внутреннего ядра», — сказал сейсмолог Университета Юты Кит Копер, руководивший исследованием. «Это похоже на пограничную область. Всякий раз, когда вы хотите получить изображение внутренней части чего-либо, вы должны отбросить поверхностные эффекты. Поэтому это самое сложное место для получения изображений, самая глубокая часть, и о ней еще многое неизвестно».
В данном исследовании использовался специальный массив данных, полученный с помощью глобальной сети сейсмических массивов, созданных для обнаружения ядерных взрывов. В 1996 г. ООН создала Подготовительную комиссию Организации по Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ОДВЗЯИ) для обеспечения соблюдения международного договора, запрещающего подобные взрывы.
Профессор геологии Кит Копер руководит работой сейсмографических станций Университета Юты. Credit: University of Utah
Центральным элементом системы является Международная система мониторинга (IMS), включающая в себя четыре системы обнаружения взрывов с помощью современных измерительных приборов, расположенных по всему миру. Несмотря на то, что их задача — обеспечить соблюдение международного запрета на ядерные взрывы, они позволяют ученым получать огромное количество данных, позволяющих пролить новый свет на то, что происходит в недрах Земли, океанах и атмосфере.
Благодаря этим данным были проведены исследования, позволившие пролить свет на взрывы метеоритов, идентифицировать колонию карликовых синих китов, улучшить прогнозирование погоды и понять, как образуются айсберги.
В то время как поверхность Земли тщательно изучена и охарактеризована, ее внутреннюю часть изучать гораздо сложнее, поскольку к ней нет прямого доступа. Лучшими инструментами для изучения этой скрытой сферы являются сейсмические волны землетрясений, распространяющиеся от тонкой коры планеты и вибрирующие в ее каменистой мантии и металлическом ядре.
«Планета образовалась из астероидов, которые как бы аккрецировали [в космосе]. Они сталкиваются друг с другом, и при этом выделяется большое количество энергии. Поэтому вся планета, когда она формируется, плавится», — сказал Копер. «Просто железо тяжелее, и получается то, что мы называем формированием ядра. Металлы опускаются в середину, а жидкая порода оказывается снаружи, и со временем она, по сути, замерзает. Причина, по которой все металлы находятся там, заключается в том, что они тяжелее горных пород».
Планета внутри планеты
В течение последних нескольких лет лаборатория Копера анализировала сейсмические данные, чувствительные к внутреннему ядру. Предыдущее исследование, проведенное под руководством Панга, выявило колебания между вращением Земли и внутреннего ядра, которые могли вызвать изменение продолжительности дня в 2001-2003 гг.
Ядро Земли, имеющее в поперечнике около 4 300 миль, состоит в основном из железа, никеля и некоторых других элементов. Внешнее ядро остается жидким, обволакивая твердое внутреннее ядро.
Станции сейсмографов, расположенные на территории университета, регистрируют земные движения. Credit: Dave Titensor/University of Utah
«Это как планета внутри планеты, которая имеет собственное вращение и отделена от нее огромным океаном расплавленного железа», — сказал Копер, профессор геологии, руководитель сейсмографических станций Университета Юты.
По его словам, защитное поле магнитной энергии, окружающее Землю, создается за счет конвекции в жидком внешнем ядре, которое простирается на 2 260 км (1 795 миль) над твердым ядром. Расплавленный металл поднимается над твердым внутренним ядром, охлаждается, приближаясь к каменистой мантии Земли, и опускается. В результате такой циркуляции образуются полосы электронов, окутывающие планету. Без твердого внутреннего ядра это поле было бы гораздо слабее, и поверхность планеты подвергалась бы бомбардировке радиацией и солнечными ветрами, которые разрушили бы атмосферу и сделали бы ее непригодной для жизни.
Для проведения нового исследования специалисты Университета Юты изучили сейсмические данные, полученные с помощью 20 массивов сейсмометров, расположенных по всему миру, в том числе двух в Антарктиде. Ближайший к Юте сейсмометр находится в окрестностях города Пинедейл, штат Вайоминг. Эти приборы устанавливаются в скважины, пробуренные на глубину до 10 м в гранитных породах, и располагаются таким образом, чтобы концентрировать принимаемые сигналы, подобно тому, как работают параболические антенны.
Панг проанализировал сейсмические волны от 2 455 землетрясений, все из которых превышали магнитуду 5,7, то есть примерно такой силы, как землетрясение 2020 года, потрясшее Солт-Лейк-Сити. То, как эти волны отражаются от внутреннего ядра, помогает составить карту его внутренней структуры. Более мелкие землетрясения не генерируют достаточно сильных волн, чтобы быть полезными для исследования.
«Сигнал, который возвращается от внутреннего ядра, очень мал. Его размер составляет порядка нанометра, — сказал Копер, — мы ищем иголку в стоге сена». Поэтому эти детские отголоски и отражения очень трудно заметить».
Ядро меняется
Впервые ученые использовали сейсмические волны, чтобы определить, что внутреннее ядро твердое, в 1936 году. До открытия, сделанного датским сейсмологом Инге Леманном, считалось, что ядро целиком жидкое, поскольку оно очень горячее, температура приближается к 10 000 градусов по Фаренгейту, примерно как температура на поверхности Солнца.
В какой-то момент истории Земли внутреннее ядро начало «зарождаться», или затвердевать, под действием сильного давления, существующего в центре планеты. Когда начался этот процесс, пока неизвестно, но специалисты Университета Юты получили важные подсказки из сейсмических данных, которые выявили эффект рассеяния, связанный с волнами, проникающими в глубь ядра.
«Наше главное открытие заключается в том, что неоднородность имеет тенденцию усиливаться по мере углубления. К центру Земли она, как правило, сильнее», — сказал Панг.
«Мы считаем, что эта ткань связана с тем, как быстро росло внутреннее ядро. Очень давно внутреннее ядро росло очень быстро. Оно достигло равновесия, а затем стало расти гораздо медленнее», — сказал Копер. «Не все железо стало твердым, поэтому часть жидкого железа могла оказаться внутри».
В исследовании, которое финансировалось Национальным научным фондом, принимали участие ученые из Университета Южной Калифорнии, Нантского университета (Франция) и Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Справка: «Усиление мелкомасштабной неоднородности внутреннего ядра в направлении центра Земли», Гуаннинг Панг, Кит Д. Копер, Син-Мей Ву, Вей Ванг, Марин Ласблис и Гарретт Эйлер, 5 июля 2023 г., Nature . DOI: 10.1038/s41586-023-06213-2
