Внутреннее ядро Земли: Тайны и значение для жизни

Глубоко под нашей поверхностью, на ошеломляющей глубине более 5100 километров, скрыто внутреннее ядро Земли — таинственный твердый шар из железа и никеля, играющий ключевую роль в формировании условий, необходимых для жизни на планете. Несмотря на свою значимость, внутреннее ядро остается загадочным объектом, и его происхождение и развитие вызывают множество вопросов. Исследуем, как это скрытое ядро влияет на наше существование и какие тайны оно хранит.

phys.org: Глубоко под нашими ногами, на ошеломляющей глубине более 5100 км, находится внутреннее ядро Земли — твердый шар из железа и никеля, который играет решающую роль в формировании условий, с которыми мы сталкиваемся на поверхности. На самом деле, без него мы вряд ли бы вообще существовали.

Но, несмотря на его значимость, остается загадкой, как он образовался и развивался. Мы даже не знаем, сколько ему лет. К счастью, физика минералов приближает нас к разгадке этой тайны.

Внутреннее ядро отвечает за магнитное поле Земли, которое действует как щит, защищая нас от вредного солнечного излучения. Это магнитное поле, возможно, сыграло важную роль в создании условий, позволивших жизни процветать миллиарды лет назад.

Внутреннее ядро Земли когда-то было жидким, но со временем стало твердым. По мере постепенного остывания Земли внутреннее ядро расширяется наружу, а окружающая богатая железом жидкость "замерзает". Тем не менее, здесь все еще очень жарко, по крайней мере, 5000 Кельвинов (K) (4726,85°C).

В процессе замораживания высвобождаются такие элементы, как кислород и углерод, которые несовместимы с пребыванием в горячем твердом состоянии. На дне внешней сердцевины образуется горячая, плавучая жидкость. Жидкость поднимается в жидкое внешнее ядро и смешивается с ним, создавая электрические токи (благодаря "динамо-действию"), которые генерируют наше магнитное поле.

Вы когда-нибудь задумывались, что заставляет северное сияние танцевать в небе? Вы можете поблагодарить внутреннее ядро.
Загадочная кристаллизация

Чтобы понять, как менялось магнитное поле Земли на протяжении ее истории, геофизики используют модели, которые моделируют тепловое состояние ядра и мантии.

Эти модели помогают нам понять, как распределяется и передается тепло внутри Земли. Они предполагают, что твердая внутренняя сердцевина впервые появилась, когда жидкость остыла до температуры плавления, принимая это за время, когда она начала замерзать. Проблема в том, что это не совсем точно отражает процесс замерзания.

Поэтому ученые исследовали процесс "переохлаждения". Переохлаждение - это когда жидкость охлаждается ниже точки замерзания, не превращаясь в твердое вещество. Это происходит с водой в атмосфере, температура которой иногда достигает -30°C, прежде чем образуется град, а также с железом в ядре Земли.

Расчеты показывают, что для замораживания чистого железа в ядре Земли требуется переохлаждение до 1000 К. Учитывая, что электропроводность ядра предполагает, что оно охлаждается со скоростью 100-200 К за миллиард лет, это представляет собой серьезную проблему. Такой уровень переохлаждения подразумевает, что ядро должно было находиться ниже точки плавления на протяжении всей своей истории (от 1000 до 500 миллионов лет), что создает дополнительные сложности.

Поскольку мы не можем физически проникнуть в ядро — люди пробурили скважину всего на 12 км вглубь Земли, — мы почти полностью полагаемся на сейсмологию, чтобы понять, что находится внутри нашей планеты. Внутреннее ядро было открыто в 1936 году, и его размер (около 20% радиуса Земли) является одним из наиболее ограниченных свойств недр Земли. Мы используем эту информацию для оценки температуры сердцевины, предполагая, что граница между твердым телом и жидкостью представляет собой пересечение точки плавления и температуры сердцевины.

Это предположение также помогает нам оценить максимальную степень переохлаждения, которое могло произойти до того, как внутреннее ядро начало формироваться из комбинированного внутреннего и внешнего ядер. Если ядро замерзло относительно недавно, текущее тепловое состояние на границе внутреннего и внешнего ядер показывает, насколько температура плавления объединенного ядра могла быть ниже, когда внутреннее ядро впервые начало замерзать. Это говорит о том, что, самое большее, ядро могло быть переохлаждено примерно на 400 тыс.

Это как минимум вдвое больше, чем позволяет сейсмология. Если перед замораживанием ядро было переохлаждено на 1000 К, внутреннее ядро должно быть намного больше, чем наблюдается. В качестве альтернативы, если для замораживания необходима температура 1000 К, которая так и не была достигнута, внутреннего ядра вообще не должно существовать. Очевидно, что ни один из сценариев не является точным, так чем же это можно объяснить?

Физики-минералоги протестировали чистое железо и другие смеси, чтобы определить, какое количество переохлаждения необходимо для начала формирования внутреннего ядра. Хотя эти исследования еще не дали окончательного ответа, есть многообещающие результаты.

Например, мы узнали, что неожиданные кристаллические структуры и присутствие углерода могут влиять на переохлаждение. Эти результаты свидетельствуют о том, что определенные химические свойства или структура, которые ранее не рассматривались, могут не требовать такого неоправданно большого переохлаждения. Если ядро могло замерзнуть при температуре переохлаждения менее 400 К, это может объяснить наличие внутреннего ядра в том виде, в каком мы видим его сегодня.

Непонимание процесса формирования внутреннего ядра имеет далеко идущие последствия. Предыдущие оценки возраста внутреннего ядра варьировались от 500 до 1000 миллионов лет. Но они не учитывают проблему переохлаждения. Даже незначительное переохлаждение в 100 К может означать, что внутреннее ядро на несколько сотен миллионов лет моложе, чем считалось ранее.

Понимание особенностей формирования внутреннего ядра в палеомагнитных породах — 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.