Внутреннее ядро Земли не только охлаждается, но и нагревается

Группа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего (Соединенные Штаты), университета Лидса (Великобритания) и Индийского технологического университета утверждают, что жидкое расплавленное ядро Земли одновременно и кристаллизуется, и плавится по причине процессов рециркуляции тепла между ядром и мантией, расположенной выше.

Джон Маунд из университета г. Лидс, один из авторов исследования, говорит, что пока что происхождение ядра планеты, а вместе с ним и магнитного поля, остается загадкой для ученых. Они не могут просто прорыть глубокую дырку и взять образцы ядра. Поэтому для изучения процессов, происходящих глубоко под землей, ученые вынуждены использовать измерения доступных процессов, происходящих на земной поверхности, а также применять компьютерное моделирование. Новая модель, построенная коллективом ученых, в состоянии дать достаточно простое и логическое объяснение некоторых результатов наземных измерений, которые уже многие годы озадачивали ученых. Эта модель предполагает, что все процессы эволюции ядра Земли находится в постоянной взаимосвязи с тектоникой литосферных плит. Новизна подхода состоит в том, что это факт является совсем не очевидным. В случае если модель будет качественно верифицирована и подтверждена, это даст возможность исследователям  глубже понять, каким же образом было образовано ядро Земли и как оно порождает магнитное поле планеты.

Внутренне ядро Земли (существует еще и внешнее) – это шар размером с Луну, состоящий из твердого железа. А вот внешнее ядро – это подвижное жидкое вещество, состоящее из сплава никеля и железа, а также множества других более легких химических элементов. Выше расположена мантия, над которой – твердая кора, на которой мы и живем. Подсчитано, что внутреннее ядро увеличивается на 1 миллиметр в год, благодаря процессу медленного охлаждения и кристаллизации железа. Тепло, которое при этом высвобождается согласно законам сохранения, из ядра попадает в мантию и затем в верхнюю кору. Нагретые слои мантии поднимаются ближе к поверхности, в то время как более холодные, наоборот, опускаются к ядру. Эта природная конвекция является своего рода геологическим динамо, которое в сочетании с вращением Земли и порождает магнитное поле планеты.

И только совсем недавно ученые обнаружили теоретические предпосылки того факта, что внутреннее ядро может не только охлаждаться, но и плавиться. Данное утверждение немедленно стало причиной бурных дискуссий, поскольку охлаждение ядра Земли считается бесспорным и доказанным фактом. Вот этот феномен и попыталась объяснить международная группа ученых в своем новом исследовании.

С помощью построения компьютерной модели конвекции внешнего ядра, а также новейших сейсмологических данных они сумели показать, что тепловой поток на границе между мантией и ядром меняется в зависимости от неоднородностей структуры вышележащей мантии. В некоторых областях эта неоднородность оказывается столь существенной, что тепло из мантии отправляется назад, в ядро, вызывая при этом процесс плавления.

С помощью данной модели ученые убедились что под знаменитым сейсмической активностью «Огненным кольцом» в Тихом океане, где различные тектонические плиты приходят в столкновение, холодные остатки этих океанических плит из самой нижней части мантии оттягивают на себя наибольшее количество тепловой энергии из области ядра. Это дополнительное охлаждение нижней мантии является причиной возникновения мощных нисходящих потоков более холодного вещества, которые проходят через внешнее ядро и охлаждают внутреннее.

Тем временем в двух других крупных областях  - в Тихом океане и возле Африки, где нижняя мантия горячей, чем в других районах, из ядра выделяется меньше тепла. При этом внешнее ядро в этой области может оказаться достаточно теплым для того, чтобы вызвать плавление внутреннего. Если это действительно так, то тогда динамика во внутренних областях окажется гораздо более сложной, чем считалось ранее, - говорит один из исследователей, Бинод Шринивасан  из Индийского технологического института. Из его объяснения следует, что с одной стороны имеются сгустки сравнительно легкого материала, который постоянно образуется в тех местах, где кристаллизуется чистое железо. С другой стороны, процесс плавления создает слой плотной жидкости над границей между слоями. Следовательно, сгустки более легких элементов должны пройти через этот слой перед тем, как попасть во внешнее ядро. Интересный факт – далеко не все построенные модели предусматривают возможность попадания тепла во внутреннее ядро. Таким образом, возможность плавления железа во внутренней области налагает достаточно жесткие ограничения на режимы, в которых возможна работа земной динамо-машины.

Себастьян Рост из Великобритании считает, что полученная исследователями модель достаточно хорошо объясняет многие сейсмические показатели, которые говорят о существовании слоя плотной жидкости, которое окружает внутренне твердое ядро.  Высказанная учеными гипотеза довольно логично объясняет и то, почему сейсмические волны, возникающие во время мощных землетрясений, перемещаются через некоторые части ядра быстрее, чем через другие.

По материалам science.compulenta.ru