Внутреннее ядро Земли оказалось текстурированным

Pixabay

Как внутреннее ядро Земли формировалось, росло и развивалось с течением времени, остается загадкой, которую команда исследователей под руководством Университета штата Юта стремится решить с помощью сейсмических волн от естественных землетрясений. Хотя эта сфера диаметром 2 442 километра составляет менее 1% от общего объема Земли, ее существование отвечает за магнитное поле планеты, без которого Земля была бы совсем другим местом.

Но внутреннее ядро — это не однородная масса, которую когда-то предполагали ученые, а скорее гобелен из другой «ткани», по словам Гуаньнин Панга, бывшего аспиранта факультета геологии и геофизики университета.

«Впервые мы подтвердили, что такого рода неоднородность присутствует повсюду внутри внутреннего ядра», — сказал Панг

«Наше исследование было направлено на то, чтобы заглянуть внутрь внутреннего ядра», — сказал университетский сейсмолог Кит Копер, который руководил исследованием. «Это как приграничная зона. Каждый раз, когда вы хотите изобразить интерьер чего-либо, вы должны убрать поверхностные эффекты. Так что это самое сложное место для создания изображений, самая глубокая часть, и есть еще вещи, которые о нем неизвестны».

В этом исследовании использовался специальный набор данных, генерируемый глобальной сетью сейсмических массивов, созданных для обнаружения ядерных взрывов.

В 1996 году Организация Объединенных Наций учредила Подготовительную комиссию Организации по Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ОДВЗЯИ) для обеспечения соблюдения международного договора, запрещающего такие взрывы.

Его центральным элементом является Международная система мониторинга (IMS), включающая четыре системы обнаружения взрывов с использованием передовых сенсорных приборов, расположенных по всему миру. Хотя их цель состоит в том, чтобы обеспечить соблюдение международного запрета на ядерные взрывы, они дали множество данных, которые ученые могут использовать, чтобы пролить новый свет на то, что происходит в недрах, океанах и атмосфере Земли.

Эти данные облегчили исследования, которые осветили метеоритные взрывы, идентифицировали колонию карликовых синих китов, продвинули прогноз погоды и дали представление о том, как образуются айсберги.

В то время как поверхность Земли была тщательно нанесена на карту и охарактеризована, ее внутреннюю часть гораздо труднее изучить, поскольку к ней нельзя получить прямой доступ. Лучшими инструментами для восприятия этого скрытого царства являются сейсмические волны землетрясений, распространяющиеся из тонкой коры планеты и вибрирующие через ее скалистую мантию и металлическое ядро.

Планета в планете

В течение последних нескольких лет лаборатория Копера анализировала сейсмические данные. Ядро Земли, которое имеет около 4,300 миль в поперечнике, состоит в основном из железа и никеля, а также из нескольких других элементов. Внешнее ядро остается жидким, обволакивая твердое внутреннее ядро.

«Это похоже на планету внутри планеты, которая имеет свое собственное вращение, и она отделена этим большим океаном расплавленного железа», — сказал Копер, профессор геологии.

По его словам, защитное поле магнитной энергии, окружающей Землю, создается конвекцией, происходящей внутри жидкого внешнего ядра, которое простирается на 2 260 километров (1 795 миль) над твердым ядром. Расплавленный металл поднимается над твердым внутренним ядром, охлаждается по мере приближения к скалистой мантии Земли и опускается. Эта циркуляция генерирует полосы электронов, окутывающих планету. Без твердого внутреннего ядра Земли это поле было бы намного слабее, и поверхность планеты была бы бомбардирована радиацией и солнечными ветрами, которые разрушили бы атмосферу и сделали бы поверхность непригодной для жизни.

Для нового исследования команда изучила сейсмические данные, записанные 20 массивами сейсмометров, размещенных по всему миру, в том числе двумя в Антарктиде. Ближайшая к Юте находится за пределами Пайндейла, штат Вайоминг. Эти инструменты вставляются в скважины, пробуренные на глубине до 10 метров в гранитных образованиях, и располагаются по шаблонам, чтобы сконцентрировать сигналы, которые они получают, подобно тому, как работают параболические антенны.

Панг проанализировал сейсмические волны от 2 455 землетрясений, все из которых превышали магнитуду 5,7, или примерно столько же, сколько землетрясение 2020 года, потрясшее Солт-Лейк-Сити. То, как эти волны отражались от внутреннего ядра, помогает отобразить его внутреннюю структуру.

Ядро изменяется

Ученые впервые использовали сейсмические волны, чтобы определить, что внутреннее ядро было твердым в 1936 году. До открытия датским сейсмологом Инге Леманн предполагалось, что все ядро было жидким, поскольку оно чрезвычайно горячее(сравнительно с температурой на поверхности Солнца).

В какой-то момент истории Земли внутреннее ядро начало «зарождаться» или затвердевать под сильным давлением, существующим в центре планеты. Остается неизвестным, когда начался этот процесс, но команда почерпнула важные подсказки из сейсмических данных, которые выявили эффект рассеяния, связанный с волнами, проникающими внутрь ядра.

Подробнее: Guanning Pang, Enhanced inner core fine-scale heterogeneity towards Earth’s centre, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06213-2 🔗