Глибоко під поверхнею Землі міститься ядро, чия поведінка викликає запитання у вчених вже протягом десятиліть. Нещодавні результати досліджень показують, що тверда частина ядра є більш м’якою і активною, аніж вважалося раніше, повідомляє Earth.
Під час дослідження, результати якого опубліковані в National Science Review, науковці з Університету Сичуань провели лабораторні тести, які засвідчили, що при високому тиску атоми вуглецю можуть вільно переміщуватися всередині заліза, зменшуючи його жорсткість й уповільнюючи сейсмічні хвилі приблизно на 23%.
Таємниця “м’якого” ядра
Сейсмологи давно помітили, що внутрішнє ядро затримує певні сейсмічні хвилі. Тепер китайські дослідники вирішили розкрити причину цієї м’якості.
У дослідженні вказано, що при достатньому температурному і тисковому впливі певні кристали переходять в суперионний стан, де легкі атоми вільно пересуваються в твердому матеріалі, тоді як важкі атоми фіксовані на своїх місцях.
Спеціалісти в області матеріалознавства вивчали ці сильнопровідні елементи в твердих тілах акумуляторів, де рухливі іони переносять заряд через кристалічну структуру. Виявлення подібного стану в сплаві з великим вмістом заліза має суттєве значення, оскільки це змінює уявлення про те, як ядро може бути одночасно твердим і м’яким.
За словами дослідників, землетруси ініціюють зсувні хвилі, коливання, які оцінюють жорсткість. Внутрішнє ядро Землі значно сповільнює їх, швидкість яких становить приблизно 3,5 кілометра за секунду, що набагато нижче, ніж у звичайних залізних матеріалах.
Лабораторні дослідження
Вчені наголошують, що під час лабораторних експериментів вони використали ударне стиснення на зразках заліза і вуглецю. Двоступеневий газовий гарматний механізм розганяв снаряди до 6,9 кілометра за секунду, досягаючи 140 гігапаскалів. Температура піднялася до приблизно 2315 градусів Цельсія, а датчики вимірювали швидкість звуку в ударному сплаві.
Дослідники також помітили, що в умовах піку атоми вуглецю швидко переміщалися через тверду залізну матрицю, в результаті чого матеріал втрачає значну частину своєї жорсткості.
“Ми вперше експериментально підтвердили, що залізо-вуглецевий сплав в умовах внутрішнього ядра демонструє помітно знижену швидкість зсуву,” – зазначив автор дослідження професор Юцзюнь Чжан.
Анізотропія ядра та її вплив на геодинамо
У дослідженні зазначається, що внутрішнє ядро Землі в основному складається з заліза, але його щільність на 3-5% нижча, що свідчить про наявність легших компонентів. Так, вчені перевірили залізо з масовим вмістом вуглецю 1,5%, доданим у вигляді інтерстиціального твердого розчину.
Деякі вимірювання свідчать про сейсмічну анізотропію, тобто зміну швидкості хвиль залежно від напрямку їхнього руху, що натякає на неоднорідність матеріалу. Моделювання показало, що вуглець віддає перевагу певним каналам між шарами заліза, що може сприяти виникненню спрямованих відмінностей.
Навіть невелике вирівнювання під час формування ядра може призвести до того, що хвилі поширюватимуться швидше в деяких напрямках і повільніше в інших, підкреслюється у повідомленні.
Також у статті зазначається, що магнітне поле Землі виникає з геодинамо — потоку, що генерує магнітне поле в рідкому зовнішньому ядрі. Охолодження ядра вивільняє тепло, виштовхуючи легкі елементи з твердого заліза, що сприяє конвекції.
“Окрім теплової та композиційної конвекції, рух легких елементів може підсилювати функціонування магнітного двигуна Землі,” – зазначив доктор Юцянь Хуан, геофізик з Університету Сичуань.
На думку вчених, комп’ютерні симуляції показали, що наявність в змішаній формі твердих і рухомих частин може пояснити результати, що стосуються внутрішнього ядра. Щоб підтвердити це припущення, знадобилися молекулярні динамічні моделі та вимірювання під високим тиском.
Раніше доба на Землі тривала 19 годин
Раніше вчені повідомляли, що в давні часи Земля пройшла через тривалий період з обертанням, яке практично не змінювалося, а тривалість доби складала близько 19 годин. Це відбувалося в середині протерозойської ери – приблизно від 2 до 1 мільярда років тому.
Динаміка обертання Землі зазвичай сповільнюється через припливні сили, які діють з боку Місяця, забираючи частину обертальної енергії планети. Проте автори дослідження виявили, що в докембрії цей вплив майже повністю компенсувався атмосферними припливами, що виникли внаслідок сонячного нагрівання.
При певних обставинах ці атмосферні хвилі вступали в резонанс, створюючи момент, що прискорював обертання Землі і компенсуючи гальмівний вплив Місяця. Як результат, тривалість доби залишалася приблизно на рівні 19 годин.
