Группа исследователей обнаружила, что внутреннее ядро Земли представляет собой не однородную массу, а скорее замысловатый «гобелен» из различных тканей. Это исследование дает новое представление о формировании, эволюции Земли и создании 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. Выводы, опубликованные в журнале Nature, основаны на сейсмических данных о землетрясениях и датчиках ОДВЗЯИ. Они предполагают, что внутреннее ядро изначально быстро росло, со временем замедлилось и могло содержать жидкое железо внутри.
В центре Земли находится твердый металлический шар, своего рода «планета внутри планеты», существование которого делает возможной жизнь на поверхности, по крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем.
Как внутреннее ядро Земли формировалось, росло и развивалось с течением времени, остается загадкой, которую группа исследователей под руководством Университета Юты пытается разгадать с помощью сейсмических волн от естественных землетрясений. Хотя эта сфера диаметром 2442 километра составляет менее 1% от общего объема Земли, ее существование связано с магнитным полем планеты, без которого планета была бы совсем другим местом.
Но внутреннее ядро — это не однородная масса, как когда-то предполагали ученые, а скорее похожее на гобелен из разных «тканей», по словам Гуаннинга Панга, бывшего докторанта факультета геологии и геофизики Университета Юты.
«Впервые мы подтвердили, что такого рода неоднородность находится повсюду внутри внутреннего ядра», — сказал Панг. Теперь постдокторский исследователь в Корнельском университете, Панг является ведущим автором нового исследования, опубликованного 5 июля в журнале. Природа который открывает окно в самые глубокие уголки Земли. Он провел исследование в рамках своей докторской диссертации в штате Юта.
Другой последний рубеж
«Наше исследование заключалось в попытке заглянуть внутрь внутреннего ядра», — сказал сейсмолог из Университета Юты Кит Копер, руководивший исследованием. «Это похоже на пограничную зону. Каждый раз, когда вы хотите изобразить внутреннюю часть чего-либо, вы должны убрать поверхностные эффекты. Так что это самое сложное место для создания изображений, самая глубокая часть, и в ней все еще есть вещи, которые неизвестны».
В этом исследовании использовался специальный набор данных, созданный глобальной сетью сейсмических групп, настроенных для обнаружения ядерных взрывов. В 1996 году Организация Объединенных Наций учредила Подготовительную комиссию Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, ОДВЗЯИчтобы обеспечить соблюдение международного договора, запрещающего такие взрывы.
Профессор геологии Кит Копер возглавляет сейсмографическую станцию Университета Юты. Предоставлено: Университет Юты.
Его центральным элементом является Международная система мониторинга (МСМ), включающая четыре системы обнаружения взрывов с использованием передовых измерительных приборов, расположенных по всему миру. Хотя их цель состоит в том, чтобы обеспечить соблюдение международного запрета на ядерные взрывы, они дали кладезь данных, которые ученые могут использовать, чтобы пролить новый свет на то, что происходит в недрах Земли, океанах и атмосфере.
Эти данные облегчили исследования, которые освещали взрывы метеоритов, идентифицировали колонию карликовых синих китов, улучшали прогноз погоды и давали 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. Лучшим инструментом для обнаружения этого скрытого царства являются сейсмические волны землетрясений, распространяющиеся от тонкой коры планеты и вибрирующие через ее скалистую мантию и металлическое ядро.
«Планета образовалась из астероидов, которые как бы срастались [in space]. Они сталкиваются друг с другом, и вы генерируете много энергии. Таким образом, вся планета, когда она формируется, тает», — сказал Копер. «Просто железо тяжелее, и вы получаете то, что мы называем формированием ядра. Металлы опускаются в середину, а жидкая порода снаружи, а затем со временем практически замерзает. Причина, по которой все металлы там внизу, в том, что они тяжелее камней».
Планета внутри планеты
В течение последних нескольких лет лаборатория Копера анализировала сейсмические данные, чувствительные к внутреннему ядру. Предыдущее исследованиевозглавляемый Пангом, определил различия между вращением Земли и внутренним ядром, которые могли вызвать сдвиг продолжительности дня в 2001–2003 годах.
Ядро Земли, диаметр которого составляет около 4300 миль, состоит в основном из железа и некоторого количества никеля, а также из нескольких других элементов. Внешнее ядро остается жидким, обволакивая твердое внутреннее ядро.
Сейсмографические станции, расположенные в кампусе Университета, фиксируют движения Земли. Предоставлено: Дэйв Титенсор/Университет Юты.
«Это похоже на планету внутри планеты, у которой есть собственное вращение, и она отделена от этого большого океана расплавленного железа», — сказал Копер, профессор геологии, который руководит Сейсмографические станции Университета Юты.
По его словам, защитное поле магнитной энергии, окружающее Землю, создается конвекцией, происходящей внутри жидкого внешнего ядра, которое простирается на 2260 километров (1795 миль) над твердым ядром. Расплавленный металл поднимается над твердым внутренним ядром, охлаждается по мере приближения к каменистой мантии Земли и опускается. Эта циркуляция порождает полосы электронов, окутывающие планету. Без твердого внутреннего ядра это поле было бы гораздо слабее, а поверхность планеты подвергалась бы бомбардировке радиацией и солнечными ветрами, которые срывали бы атмосферу и делали поверхность непригодной для жизни.
Для нового исследования команда Университета Юты изучила сейсмические данные, записанные 20 группами сейсмометров, размещенными по всему миру, в том числе двумя в Антарктиде. Ближайший к Юте находится за пределами Пайндейла, штат Вайоминг. Эти инструменты вставляются в скважины, пробуренные до 10 метров в гранитных породах, и располагаются в виде шаблонов для концентрации принимаемых сигналов, подобно тому, как работают параболические антенны.
Панг проанализировал сейсмические волны от 2455 землетрясений, все магнитудой более 5,7, что соответствует силе землетрясения 2020 года, потрясшего Солт-Лейк-Сити. То, как эти волны отражаются от внутреннего ядра, помогает определить его внутреннюю структуру.
Меньшие землетрясения не генерируют достаточно сильные волны, чтобы их можно было использовать для исследования.
«Этот сигнал, возвращающийся из внутреннего ядра, очень мал. Размер порядка нанометра, — сказал Копер. — Мы ищем иголку в стоге сена. Так что эти детские отголоски и отражения очень трудно увидеть».
Суть меняется
Ученые впервые использовали сейсмические волны, чтобы определить, что внутреннее ядро было твердым, в 1936 году. До открытия датского сейсмолога Инге Леманн предполагалось, что все ядро было жидким, поскольку оно чрезвычайно горячее, приближаясь к 10 000 градусов. по Фаренгейтуо температуре 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 Университета Юты почерпнула важные сведения из сейсмических данных, которые выявили эффект рассеяния, связанный с волнами, проникающими внутрь ядра.
«Наше самое большое открытие заключается в том, что неоднородность имеет тенденцию становиться сильнее, когда вы углубляетесь. Ближе к центру Земли он, как правило, сильнее», — сказал Панг.
«Мы думаем, что эта ткань связана с тем, как быстро росло внутреннее ядро. Давным-давно внутреннее ядро росло очень быстро. Он достиг равновесия, а затем начал расти намного медленнее», — сказал Копер. «Не все железо стало твердым, поэтому некоторое количество жидкого железа могло остаться внутри».
В исследовании, финансируемом Национальным научным фондом, приняли участие исследователи из Университета Южной Калифорнии, Нантского университета во Франции и Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Ссылка: «Улучшенная мелкомасштабная неоднородность внутреннего ядра по направлению к центру Земли», Гуаннинг Панг, Кит Д. Копер, Син-Мей Ву, Вей Ван, Марин Ласблейс и Гаррет Эйлер, 5 июля 2023 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06213-2