Глубоко под нашими ногами, на умопомрачительной глубине более 5100 км, таится внутреннее ядро Земли — твердый шар из железа и никеля, играющий ключевую роль в формировании условий, которые мы ощущаем на поверхности. По правде говоря, без него мы вряд ли вообще существовали бы. Но несмотря на его значимость, его формирование и развитие остаются настоящей головоломкой. Мы даже не знаем, сколько ему лет! К счастью, физика минералов приближает нас к разгадке этой тайны.
Внутреннее ядро — настоящий генератор магнитного поля Земли, которое действует как щит, защищая нас от губительной солнечной радиации. Возможно, именно это магнитное поле создало условия, позволившие жизни расцвести миллиарды лет назад.
Когда-то внутреннее ядро Земли было жидким, но со временем превратилось в твердое тело. По мере того как наша планета постепенно остывает, внутреннее ядро расширяется, а окружающая его железосодержащая жидкость “замерзает”. Впрочем, оно все еще остается невероятно горячим — не менее 5000 Кельвинов (это 4726,85°C, представьте себе!). Процесс замерзания высвобождает элементы, такие как кислород и углерод, которые не могут оставаться в составе раскаленного твердого вещества. В результате образуется горячая, легкая жидкость на дне внешнего ядра. Эта жидкость поднимается во внешнее ядро и смешивается с ним, создавая электрические токи (через “действие динамо”), которые и генерируют наше магнитное поле. Когда-нибудь задумывались, что заставляет северное сияние танцевать в небе? Теперь вы знаете!
Но как же образовалось это загадочное внутреннее ядро? Ученые долгое время полагали, что достаточно просто определить, когда температура ядра достигла точки плавления, и считать это моментом начала замерзания. Однако все оказалось не так просто! Исследователи обратились к явлению “переохлаждения”. Переохлаждение — это когда жидкость охлаждается ниже точки замерзания, но не превращается в твердое тело. Такое происходит с водой в атмосфере, которая иногда достигает -30°C, прежде чем превратиться в град, и, как выяснилось, с железом в ядре Земли происходит тоже самое.
Расчеты показывают, что для замерзания чистого железа в ядре Земли может потребоваться переохлаждение аж на 1000K! Учитывая, что ядро остывает со скоростью 100-200K за миллиард лет, это создает серьезную проблему. Такой уровень переохлаждения означает, что ядро должно было быть ниже точки плавления на протяжении всей своей истории (от 1000 до 500 миллионов лет), что вызывает дополнительные вопросы.
Поскольку мы не можем физически добраться до ядра — люди пробурили всего 12 км в глубь Земли — мы почти полностью полагаемся на сейсмологию для понимания внутреннего устройства нашей планеты. Внутреннее ядро было открыто в 1936 году, и его размер (около 20% радиуса Земли) является одним из наиболее точно определенных свойств глубинных недр Земли.
Мы используем эту информацию для оценки температуры ядра, предполагая, что граница между твердым и жидким веществом представляет собой пересечение точки плавления и температуры ядра. Это предположение также помогает нам оценить максимальную степень переохлаждения, которая могла иметь место до начала формирования внутреннего ядра из объединенного внутреннего и внешнего ядра.
Если ядро замерзло относительно недавно, текущее тепловое состояние на границе внутреннего и внешнего ядра указывает на то, насколько объединенное ядро могло быть ниже точки плавления, когда внутреннее ядро впервые начало замерзать. Это предполагает, что ядро могло быть переохлаждено максимум на 400K. Это как минимум вдвое больше того, что допускает сейсмология. Если бы ядро было переохлаждено на 1000K перед замерзанием, внутреннее ядро должно было бы быть намного больше, чем наблюдается. С другой стороны, если для замерзания необходимо 1000K, и этого никогда не было достигнуто, внутреннее ядро вообще не должно существовать. Очевидно, ни один из этих сценариев не соответствует действительности, так в чем же дело?
Физики-минералоги провели испытания с чистым железом и другими смесями, чтобы определить, какое переохлаждение необходимо для начала формирования внутреннего ядра. Хотя эти исследования пока не дали окончательного ответа, есть многообещающие продвижения. Например, мы узнали, что неожиданные кристаллические структуры и присутствие углерода могут влиять на переохлаждение. Эти открытия предполагают, что определенная химия или структура, которые ранее не рассматривались, могут не требовать такого неразумно большого переохлаждения.
Если ядро могло замерзнуть при переохлаждении менее чем на 400K, это может объяснить наличие внутреннего ядра в том виде, в котором мы его наблюдаем сегодня. Последствия непонимания формирования внутреннего ядра имеют далеко идущие последствия. Предыдущие оценки возраста внутреннего ядра варьируются от 500 до 1000 миллионов лет. Но они не учитывают проблему переохлаждения. Даже умеренное переохлаждение на 100K может означать, что внутреннее ядро на несколько сотен миллионов лет моложе, чем считалось ранее.
Понимание сигнатуры формирования внутреннего ядра в палеомагнитной летописи горных пород — архиве магнитного поля Земли — имеет решающее значение для тех, кто изучает влияние солнечной радиации на массовые вымирания. Пока мы лучше не поймем историю магнитного поля, мы не сможем полностью определить его роль в возникновении пригодных для жизни условий и самой жизни.
Земля продолжает хранить свои тайны, но мы, люди, неустанно стремимся их разгадать. Ведь каждое новое открытие приближает нас к пониманию не только Земли, но и нашего места во Вселенной.
Читайте также: Ученые обнаружили древнее дно океана между ядром и мантией Земли
