Вчені з’ясували, коли ядро Землі почало ставати твердим

Дослідники провели експеримент у спробах відтворити процес охолодження залізного ядра нашої планети – і натрапили на загадкову аномалію.

У якийсь момент 4,5-мільярдної історії Землі її повністю рідке залізне ядро охололо настільки, що в центрі утворилася тверда куля. Сьогодні ядро нашої планети складається з твердого внутрішнього ядра із заліза, оточеного зовнішнім ядром теж із заліза, але розплавленого. Однак точно визначити, коли відбулася ця зміна, виявилося досить складно.

Оцінки варіюються від 4,5 мільярда років тому — віку самої Землі – до 565 мільйонів років тому; і лише нещодавно нове дослідження нарешті звузило пошук. Згідно з даними, отриманими в лабораторних експериментах, вік внутрішнього ядра повинен бути десь між 1 мільярдом і 1,3 мільярдами років.

У свою чергу, це допомагає нам звузити вік геодинамо, яке живить магнітне поле навколо Землі. Це магнітне поле сприяє створенню умов, сприятливих для життя в тому вигляді, в якому ми його знаємо, захищаючи атмосферу планети від палючого сонячного вітру. Не дивно, що людям так цікаво зрозуміти принцип його роботи і витоки – це може стати в нагоді майбутнім колоністам далеких світів.

Геодинамо створюється циркуляцією провідного заліза у зовнішньому ядрі та конвекцією, яка приводиться в дію двома механізмами.

По-перше, це теплова конвекція, викликана коливаннями температури; вона може відбуватися в повністю рідкому ядрі. По-друге, існує композиційна конвекція, при якій легші елементи, що виділяються на внутрішній межі ядра, піднімаються через рідке зовнішнє ядро, створюючи рух.

В обох випадках провідний рідкий метал створює електричні струми, які заряджають серцевину, по суті перетворюючи її на гігантський електромагніт. І вуаля! У нас вийшло магнітне поле. Нині в ядрі Землі присутні обидва типи конвекції, в рівній мірі сприяють геодинамо.

Але до кристалізації твердого ядра в ядрі Землі була можлива лише теплова конвекція. Вона теж здатна генерувати геодинамо, але для того, щоб підтримувати його протягом мільярдів років, залізо повинно бути дуже гарячим — що нереально.

Щоб підтримувати такі температури, теплопровідність заліза (здатність ефективно проводити тепло) повинна бути вкрай високою. Команда фізиків вирішила вивчити теплопровідність заліза під тиском і при температурах, що наближаються до значень в ядрі ядра.

Для цього вони взяли зразок заліза, опромінювали його лазером для нагрівання і затискали на алмазному ковадлі. На це пішло набагато більше часу, ніж може здатися: спроби зайняли цілих два роки. Врешті-решт, команді вдалося виміряти електричну та теплову провідність зразка при тиску 170 гігапаскалів (що в 170 мільйонів разів перевищує атмосферний тиск на рівні моря) і температуру близько 3000 градусів Цельсія.

Тиск у зовнішньому ядрі коливається від 135 до 330 гігапаскалів від зовнішньої межі до межі внутрішнього ядра, а температури коливаються від 4000 до 5000 градусів Цельсія. Вважається, що внутрішнє ядро досягає температури вище 6000 З (але залізо твердне під сильним тиском).

Коли команда виміряла провідність у зразку, то виявила, що вона на 30-50 відсотків нижче, ніж потрібно для оцінки віку внутрішнього ядра в 565 мільйонів років. Отже, вчені тепер можуть встановити верхню межу теплопровідності рідкого заліза в умовах ядра, що, в свою чергу, встановлює верхню межу того, скільки тепла воно може провести і утримати.

Всі ці дані нарешті дозволили оцінити вік внутрішнього ядра Землі. Цікаво, що графік, побудований вченими, точно відповідає динаміці зміни магнітного поля Землі. Розташування магнітних матеріалів у гірських породах, що датуються 1-1, 5 мільярдами років тому, показує, що приблизно в цей час відбулося збільшення напруженості магнітного поля — як і слід було очікувати в той час, коли кристалізувалося внутрішнє ядро.

Однак подібне збільшення спостерігалося і 565 мільйонів років тому. Якщо внутрішнє ядро кристалізувалося раніше, це означає, що сотні мільйонів років тому на нашій планеті сталося якесь загадкове явище, що вплинуло на залізо всередині Землі. “Для вирішення цієї невідповідності необхідні подальші дослідження фізики мінералів, геодинаміки та палеомагнетизму”, — визнають самі дослідники.