Планета внутри - секреты ядры Земли

 

Ядро Земли

Ученые исследуют секреты внутреннего ядра и узнают, как это могло спасти жизнь на Земле.

Магнитное поле Земли, почти такое же старое, как сама планета, защищает жизнь от разрушительной космической радиации. Но 565 миллионов лет назад поле распылялось, упав до 10% от сегодняшней силы, согласно недавнему открытию. Затем, почти чудесным образом, в течение всего нескольких десятков миллионов лет восставилось для внезапного обилия сложной многоклеточной жизни, известной как кембрийский взрыв.

Что могло стать причиной быстрого возрождения? 

Все чаще ученые считают, что это было рождение внутреннего ядра Земли, сферы твердого железа, которая находится внутри расплавленного внешнего ядра, где вспенивающийся металл генерирует магнитное поле планеты. Как только внутреннее ядро родилось, возможно, через 4 миллиарда лет после самой планеты, его древовидный рост—аккреция нескольких миллиметров в год на его поверхности—привел бы к движениям с турбонаддувом во внешнем ядре, оживляя неустойчивое магнитное поле и обновляя защитный экран для жизни. “Внутреннее ядро восстановило магнитное поле Земли в действительно интересное время эволюции”, - говорит Джон Тардуно, геофизик из Университета Рочестера. “Что бы произошло, если бы оно не сформировалось?”

Почему и как внутреннее ядро родилось в тот момент, является одной из многих затяжных загадок о шаре размером с Плутон 5000 килограммов под ногами. “Внутреннее ядро—это планета внутри планеты”, - говорит Хрвое Ткалчич, сейсмолог из Австралийского национального университета (ANU) - со своей собственной топографией, собственной скоростью вращения, собственной структурой. “Это у нас под ногами, и все же мы все еще не понимаем некоторых больших вопросов”, - говорит Ткалчич.

Но исследователи начинают откалывать эти вопросы. Используя редкие сейсмические волны от землетрясений или ядерных испытаний, которые проникают или отражаются от внутреннего ядра, сейсмологи обнаружили, что оно вращается независимо от остальной части планеты. Вооруженные сложными компьютерными моделями, теоретики предсказали структуру и странное поведение железных сплавов, раздавленных весом мира. И экспериментаторы близки к подтверждению некоторых из этих предсказаний в лаборатории, воссоздавая экстремальные температуры и давления внутреннего ядра.

Арвен Дьюсс, геофизик из Утрехтского университета, испытывает чувство предвкушения, которое может напоминать настроение в 1960-х годах, когда исследователи наблюдали за распространением морского дна и на пороге открытия тектоники плит, теории, которая имеет смысл земной поверхности. “Теперь у нас есть все эти наблюдения”, - говорит она. Это просто вопрос их объединения.

ДРЕВНИЕ ДУМАЛИ, что центр Земли был полым: дом Аида или адского огня, или царство туннелей, которые нагревали океанские воды. Позже, после ошибочных оценок плотности Луны и Земли Исааком Ньютоном, Эдмонд Галлей предположил в 1686 году, что Земля представляет собой серию вложенных оболочек, окружающих вращающуюся сферу, которая управляла магнетизмом, наблюдаемым на поверхности.

Основные принципы формирования планет дали более реалистичную картину. Около 4,5 миллиардов лет назад Земля, вероятно, родилась из столкновений многих астероидоподобных “планетезималей”. Плотное железо в планетезималях погрузилось бы в ядро расплавленной прото-Земли, в то время как более легкие силикатные породы поднимались, как масло на воде, чтобы сформировать мантию. При температурах в тысячи градусов и миллионах атмосфер давления ядро оставалось бы расплавленным, даже когда мантия и кора Земли охлаждались и затвердевали.

Сейсмологи начала 20-го века подтвердили эту точку зрения ключевым доказательством: тенью землетрясения. Когда происходит землетрясение, разрыв испускает первичные волны давления (P-волны), которые расходятся во всех направлениях. Следуют вторичные, или сдвиговые, волны (S-волны). Для больших землетрясений сейсмологи смогли обнаружить P-волны на другой стороне планеты, после того как они были согнуты и преломлены внутренними слоями Земли. Но, как ни странно, S-волны отсутствовали. Это имело смысл только в том случае, если железное ядро было жидким, потому что жидкостям не хватает жесткости, которая позволяет S-волнам проходить.

Только в начале 1930-х годов Инге Леманн, новаторский датский сейсмолог, заметила другую породу P-волн, которая показала, что ядро не было полностью жидким. Эти волны прибыли под углами, которые были возможны только в том случае, если они отскочили от чего-то плотного. К 1936 году она вывела существование твердого внутреннего ядра, в конечном счете измеренного диаметром около 2440 километров: планета внутри.

Схема ядра Земли

ЮЖНЫЕ САНДВИЧЕВЫ ОСТРОВА-негостеприимные вулканические скалы в далекой южной части Атлантического океана. Они также являются фабриками землетрясений благодаря близлежащей субдукции южноамериканской тектонической плиты. Сейсмологи любят их по другой, геометрической причине: волны землетрясения, которые летят с островов на одинокую сейсмическую станцию на Аляске, стреляют прямо через внутреннее ядро.

Почти 30 лет назад Сяодун Сун и Пол Ричардс—оба сейсмолога тогда в Колумбийском университете—думали, что могут использовать эти волны, чтобы справиться с вращением внутреннего ядра, которое, взвешенное в жидкости, не обязано вращаться синхронно с остальной частью планеты. Прочесывая архивные сейсмические записи, они искали тонкие изменения во времени прохождения P-волн для нескольких десятков землетрясений Южного Сэндвича в течение десятилетий. Их время прохождения через внешнее ядро и мантию оставалось постоянным, как и ожидалось. Но с каждым годом P-волны, проходящие через внутреннее ядро, немного ускорились. “Это было деликатно, но вы могли видеть изменения”, - говорит Сонг.

Был только один способ, которым он и Ричардс могли объяснить эту загадочную тенденцию: внутреннее ядро вращалось быстрее, чем остальная планета, примерно на 1° в год. Эта суперротация постепенно перестраивала пути сейсмических волн с осью север-юг во внутреннем ядре, что, как известно, повышало скорость P-волн. Каждые 400 лет, как они предположили в статье Nature 1996года, внутреннее ядро совершало дополнительную революцию внутри Земли.

Несколько лет спустя Джон Видейл, сейсмолог из Университета Южной Калифорнии, подтвердил результат, используя немного другой метод. Vidale специализируется на использовании записей из сейсмического массива с большой апертурой (LASA), объекта ВВС США в Монтане, закрытого в 1978 году, который управлял более чем 500 датчиками в глубоких скважинах для обнаружения испытаний атомной бомбы. “Это все еще лучшие данные, лучше, чем лучшие массивы сегодня”, - говорит он. Сейсмические волны от ядерных испытаний были идеальными, потому что, в отличие от землетрясений, источник может быть точно расположен.

Видейл использовал волны от двух советских подземных испытаний бомб, взорванных в 1971 и 1974 годах под Новой Землей, отдаленным арктическим архипелагом. Вместо того, чтобы искать волны, которые проходили через внутреннее ядро, как это делали Сонг и Ричардс, Видейл выбрал те, которые рикошетили от него, регистрируя его вращение, как луч радара. “Мы могли видеть, как одна сторона внутреннего ядра становится ближе, а другая-дальше”, - говорит он.

Он обнаружил, что за 3 года между испытаниями внутреннее ядро вращалось на 0,15° в год быстрее, чем остальная часть планеты—намного меньше, чем первая оценка Сонга. Но последующая работа Сонга в 2005 году, используя 18 пар южных сэндвич-землетрясений, которые повторялись в одном и том же месте в течение десятилетий, совпала с уменьшенной оценкойВидейла.

Открытие суперротации внутреннего ядра потрясло многих геофизиков, которые предполагали, что оно вращается с той же скоростью, что и мантия. Это также мучило их. Вращение может дать ключ к пониманию того, как внутреннее ядро соединяется с внешним ядром и влияет на магнитное динамо. Некоторые думали, что это может даже помочь объяснить, почему магнитные полюса Земли время от времени блуждают и переворачиваются.

Но почти так же быстро, как появилась эта картина вращения внутреннего ядра, она становилась все более сложной и загадочной. “То, что мы думали 10 лет назад, не держится вместе”, - говорит Видейл.

НЕДАВНО СОНГ, теперь в Пекинском университете, решил вернуться к своей работе по вращению. Его постдок Йи Ян собрал самую обширную в мире базу данных повторяющихся землетрясенийс источниками не только на Южных Сандвичевых островах, но и в таких местах, как Чили и Казахстан. Анализируя более 500 пар источник-детектор с диапазоном путей через ядро, Сон и Йи обнаружили, что суперротация прекратилась сразу десять лет назад, и с тех пор внутреннее ядро вращалось с той же скоростью, что и мантия. Изменения “все исчезают одновременно”, - говорит Сонг, который представил работу на заседании Американского геофизического союза (AGU) в конце прошлого года.

Тем временем Видейл пытался продвинуть свою тенденцию дальше во времени, используя данные LASA. Он сосредоточился на двух землетрясениях, вызванных бомбой, оба из которых были вызваны правительством США под дальним концом Алеутских островов Аляски, в 1969 и 1971 годах. Тесты были спорными; второй, Cannikin, в 5 мегатонн, был крупнейшим в истории США подземным испытанием, и он столкнулся с оппозицией со стороны экологических активистов, которые зафрахтовали рыболовецкое судно, окрестили его Greenpeaceи отплыли на остров в знак протеста. Несмотря на апелляции в Верховный суд, испытание прошло по плану, создав кратерное озеро на поверхности острова, хотя детонация была на глубине 1800 метров.

Два теста создали еще один, значительно отложенный всплеск в прошлом году на встрече AGU. Видейл сообщил, что волны от детонаций выявили не суперротацию, а субротацию: за время между двумя американскими испытаниями внутреннее ядро вращалось медленнее, чем остальная планета, примерно на 0,05° в год. Тем не менее, ко времени советских испытаний внутреннее ядро каким-то образом изменило курс и ускорилось. “Наблюдения действительно потрясающие”, - говорит Барбара Романович, сейсмолог из Калифорнийского университета в Беркли.

Для Видале картина с 1969 по 1974 год, от медленного к быстрому, может указывать на фундаментальный ритм внутреннего ядра. В течение десятилетий радиоастрономы отслеживали минутные изменения вращения поверхности Земли—продолжительность дня—против космической системы отсчета: фиксированное положение далеких космических маяков, называемых квазарами. Хотя большая часть ежегодного дрожания связана с такими событиями, как ураганы и землетрясения, появилось крошечное, но регулярное 6-летнее колебание длины дня. “Никто не смог сказать, что это вызывает”, - говорит Бенджамин Чао, геодезист Academia Sinica. “Но все делают ставку на ядро”.

Чао говорит, что одним из возможных объяснений 6-летнего цикла является гравитационное взаимодействие между мантией и внутренним ядром. Внутреннее ядро, вероятно, будет бугристым, с холмами высотой в сотни метров, а на дне мантии сейсмологи обнаружили две ультраплотные капли размером с континент. Буксиры капель на холмах могут создать слабую связь между мантией и внутренним ядром—достаточно, чтобы “тянуть внутреннее ядро назад и вперед” в циклах суперротации и субротации, говорит Чао.

Песня, однако, видит только замедление, без признаков колебаний. Он связывает свой рекорд с более долгосрочной тенденцией продолжительности дня, в результате которой планета вращалась все быстрее с 1970-х годов, прежде чем успокоиться в начале 2000-х. Сонг считает, что гравитационные буксиры из мантии могли тянуть внутреннее ядро, но с отставанием.

Учитывая, что ни одна находка еще не опубликована, трудно сказать, как они сочетаются. “Все правы? Все ошибаются?” Романович спрашивает. В любом случае, переменное вращение кажется более правдоподобным, чем постоянная суперротация, говорит Миаки Исии, сейсмолог из Гарвардского университета. “Это имеет больше смысла, чем то, что мы имеем сейчас”.

ВНУТРЕННЕЕ ЯДРО—самое металлическое место на Земле-даже больше, чем внешнее ядро. Оба сделаны в основном из железа вместе с небольшим количеством никеля. Но считается, что железо также содержит следы более легких элементов, таких как кислород, углерод и кремний. Когда железо кристаллизуется на растущей поверхности внутреннего ядра, оно выплевывает некоторые из этих элементов, оставляя после себя почти чистое железо, подобно тому, как лед, замерзающий из ведра соленой воды, вытесняет соль и становится в значительной степени свежим. Изгнанные элементы, более легкие, чем железо, поднимаются и проносятся вдоль окружающей жидкости, вызывая до 80% конвекции, которая генерирует магнитное поле Земли.

Природа оставшегося железа является предметом постоянных дебатов. Атомы железа на поверхности Земли—например, в вашей чугунной сковороде—упаковываются в кубические структуры. Но когда крошечные образцы железа сжимаются между двумя алмазами до давления, подобного внутреннему ядру, атомы перестраиваются в шестиугольники. Трудный вопрос заключается в том, что происходит, когда железо одновременно раздавливается и нагревается до тысяч градусов, говорит Лидунка Вочадло, физик-минерал из Университетского колледжа Лондона. Эти условия трудно воссоздать в лаборатории, потому что углерод в алмазах часто загрязняет железо при нагревании аппарата. Но в компьютерных моделях, говорит Вочадло, “нет предела давлению и температуре, которые вы можете получить”.

Моделирование Вочадло и ее сотрудников предполагает, что гексагональная упаковка является наиболее стабильной в условиях внутреннего ядра. Модели также обнаруживают, что чистое железо становится мягким, когда оно находится на 98% от точки плавления, как это может быть на протяжении большей части внутреннего ядра. Этот “эффект предварительного плавления”, как его называют, может объяснить, почему S-волны движутся намного медленнее, чем ожидалось, в предположительно твердом внутреннем ядре.

Однако история не закрыта для кубического железа. Так же, как вода должна остыть ниже нуля, прежде чем лед может образоваться, исследователи предположили, что железо не может затвердеть непосредственно в своей гексагональной форме, если оно почти на 1000 К холоднее внутреннего ядра. Моделирование в атомном масштабе, опубликованное в начале этого года командой во главе с Ян Суном, физиком-минералом из Колумбии, предлагает решение: железо, аккрецирующееся на внутреннем ядре, может сначала кристаллизоваться в кубическую форму, прежде чем перейти в гексагональное конечное состояние.

Хотя кубические и гексагональные дебаты могут показаться академическими, структура может определить, как выровняются кристаллы железа, сколько никеля и других легких элементов может смешиваться с железом, сколько тепла он выделяет при кристаллизации и даже его температуру плавления. “Фундаментальные свойства железа меняются в зависимости от того, в какой фазе вы находитесь”, - говорит Вочадло.

Новая волна лабораторных исследований может помочь решить этот вопрос. После многих лет остановки прогресса исследователи находятся на грани регулярного воссоздания и наблюдения за условиями внутреннего ядра. Одна из стратегий—нажимать и нагревать железо в ячейках алмазной наковальни, как и раньше, но быстро взглянуть на его структуру, прежде чем она будет загрязнена углеродом. Новые мощные рентгеновские источники света, такие как Чрезвычайно яркий источник на Европейском объекте синхротронного излучения, который включился в 2020 году, могут сделать такую вспышку.

Другим является использование массивных лазеров Национального центра зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), которые обычно нацелены на гранулы изотопов водорода для искры крошечных реакций ядерного синтеза. В исследовании, опубликованном ранее в этом году, исследователи NIF вместо этого повернули некоторые из этих лучей на железе, нагревая и нагнетая его до уровней, намного превышающих те, которые видны в ядре Земли. Каждый раз, когда они исследовали структуру железа с помощью рентгеновского снимка, он получался таким же, как гексагональное железо, говорит Ричард Краус, ученый—исследователь LLNL, возглавлявший исследование.

Третий способ воссоздать внутреннее ядро-это эксперименты с ударной волной. Юнг-Фу Лин, экспериментальный физик-минерал из Техасского университета в Остине, сотрудничает с исследователями в Китае, которые используют всплески газа для стрельбы снарядами в железо со скоростью в 10 раз быстрее, чем винтовочная пуля, создавая сердечниковидные температуры и давления. Они уже видят намеки на эффект предварительного плавления, выявленный Вочадло и предсказанный другими. Если результаты подтвердятся, они могут предположить, что “твердое” внутреннее ядро не так уж и прочно. “Это как коктейль”, - говорит Лин. “Очень мягкий”.

Если внутреннее ядро-тайна, то “самое внутреннее” ядро-загадка, еще более обернутая тайной. С 1980-х годов сейсмологи знали, что сейсмические волны быстрее проходят через внутреннее ядро вдоль оси север-юг, возможно, потому, что кристаллы железа имеют общее выравнивание, предположительно вдоль преобладающего направления магнитного поля Земли. Но в 2002 году Ишии и Адам Дзевонски, также из Гарварда, обнаружили, что в сфере диаметром примерно 600 километровэта быстрая полоса наклонена на 45°. Исии говорит, что аномалия может быть реликтом древнего наклонного магнитного поля или ядром кубического, а не шестиугольного железа. Несмотря ни на что, говорит она, “в центре Земли происходит что-то другое”.

Исследователи готовы превратить эти намеки в нечто более строгое. За последнее десятилетие в Антарктиде было установлено множество высококачественных сейсмометров, позволяющих исследователям улавливать гораздо больше волн землетрясений, которые проходят через быстрые полосы с севера на юг внутреннего ядра. Вооружившись улучшенными разрешениями, предоставляемыми этими волнами и многими другими во всем мире, утрехтская Deuss и ее аспирант Генри Бретт использовали суперкомпьютерную технику для создания первого 3D-представления внутреннего ядра—немного похоже на компьютерную томографию в больнице.

Эта работа, которая скоро будет опубликована, подтверждает существование самого внутреннего ядра, но обнаруживает, что оно немного смещено от центра планеты. Он также показывает различия в скорости между быстрыми полосами, наблюдаемыми в западном и восточном полушариях внутреннего ядра. Это говорит о том, что история быстрых дорожек сложнее, чем кристаллы железа, выравнивающиеся с доминирующим магнитным полем, которое будет иметь более равномерный сигнал. Это еще рано, подобно тому, как изображение мантии было в 1980-х годах, но Бретт говорит, что скоро появятся более подробные модели. “Мы сможем задать более интересные вопросы”.

ВСЯ ЭТА СЛОЖНОСТЬ, похоже, геологически недавняя. Ученые однажды поместили рождение внутреннего ядра рядом с формированием планеты. Но десять лет назад исследователи обнаружили, используя алмазные наковальни в условиях внешнего ядра, что железо проводит тепло как минимум в два раза быстрее, чем считалось ранее. Охлаждение стимулирует рост внутреннего ядра, поэтому быстрая потеря тепла в сочетании с текущим размером внутреннего ядра означала, что он вряд ли сформировался более 1 миллиарда лет назад и, скорее всего, появился еще позже. “Нет никакого способа обойти относительно недавнее появление внутреннего ядра”, - говорит Брюс Баффет, геодинамик из Калифорнийского университета в Беркли.

Тардуно понял, что камни того времени могут записывать драматические изменения магнитного поля, ожидаемые при рождении внутреннего ядра. До недавнего времени палеомагнитные данные от 600 миллионов до 1 миллиарда лет назад были скудными. Поэтому Тардуно отправился на поиски пород подходящего возраста, содержащих крошечные игольчатые кристаллы минерала титаномагнетита, которые записывают напряженность магнитного поля во время их кристаллизации. В 565-миллионном вулканическом образовании на северном берегу реки Святого Лаврентия в Квебеке его команда нашла кристаллы-и убедительные доказательства того, что магнитное поле того времени составляло одну десятую современной силы, сообщили они в 2019 году. Хрупкость поля в то время была подтверждена многочисленными исследованиями.

Вероятно, это был признак того, что быстрая потеря тепла из внешнего ядра ослабляла конвективные движения, которые генерируют магнитное поле, говорит Питер Дрисколл, геодинамик из Института науки Карнеги. “Динамо могло быть близко к смерти”, - говорит он. Его смерть могла оставить развивающуюся жизнь Земли, которая в основном жила в океане в виде микробов и протожеллефов, подверженной гораздо большему излучению от солнечных вспышек. В атмосфере Земли, где уровень кислорода повышался, повышенная радиация могла ионизировать часть этого кислорода, позволяя ему выходить в космос и истощать ценный ресурс для жизни, говорит Тардуно. “Потенциал потери набирался”.

Всего 30 миллионов лет спустя прилив повернулся в пользу жизни. Команда Тардуно отправилась в карьеры и дороги в горах Уичита в Оклахоме и собрала 532-миллионные вулканические породы. Проанализировав напряженность поля, замороженную в крошечных магнитных иглах, они обнаружили, что его интенсивность уже подскочила до 70% от нынешних значений, сообщили они на заседании AGU. “Это своего рода гвозди”, - говорит Тардуно. Он приписывает рост внутреннего ядра скачку поля, который, по его словам, является “истинной сигнатурой зарождения внутреннего ядра”.

Примерно в то же время жизнь пережила свою собственную революцию: кембрийский взрыв, быстрая диверсификация жизни, которая породила большинство групп животных и в конечном итоге привела к первым наземным животным, протомиллипедам, которые вышли на сушу около 425 миллионов лет назад.

Возможно, найденный ими мир клемента во многом обязан внутренней железной планете, которую мы никогда не увидим, на 5000 километров ниже.

По материалам сайта https://sciencerobotsweb.blogspot.com/