Ядро Земли однобокое? Странные происшествия внутри нашей планеты

Ускоренный рост в море Банда в Индонезии не повлиял на суть экономики. Гравитация равномерно распределяет новый рост – кристаллы железа, которые образуются по мере охлаждения расплавленного железа – для поддержания сферического внутреннего ядра, радиус которого увеличивается в среднем на 1 миллиметр в год.

На разрезе внутри Земли показано твердое железное внутреннее ядро ​​(красный), медленно растущее за счет замерзания внешнего ядра из жидкого железа (оранжевый). Сейсмические волны проходят через внутреннее ядро ​​Земли быстрее между северным и южным полюсами (синие стрелки), чем через экватор (зеленая стрелка). Исследователи пришли к выводу, что эта разница в скорости сейсмических волн с направлением является результатом предпочтительного расположения кристаллов – гексагонально плотно упакованных железо-никелевых сплавов, которые сами по себе являются анизотропными – параллельно оси вращения Земли. (Графика Даниэля Фроста)

Но усиление роста с одной стороны предполагает, что что-то во внешнем ядре или мантии Земли под Индонезией отводит тепло от внутреннего ядра быстрее, чем на противоположной стороне, под Бразилией. Более быстрое охлаждение с одной стороны ускорит кристаллизацию железа и рост внутреннего ядра с этой стороны.

Это имеет значение для магнитного поля Земли и ее истории, потому что конвекция во внешнем ядре, вызванная выделением тепла из внутреннего ядра, сегодня приводит в движение динамо-машину, генерирующую магнитное поле, которое защищает нас от опасных частиц Солнца.

«Мы даем довольно нечеткие ограничения на возраст внутреннего ядра – от полумиллиарда до 1,5 миллиарда лет – что может помочь в споре о том, как магнитное поле было создано до существования твердого внутреннего ядра», – сказал Барбара Романович, профессор Высшей школы Калифорнийского университета в Беркли, факультет наук о Земле и планетах, и заслуженный директор Сейсмологической лаборатории Беркли (BSL). «Мы знаем, что магнитное поле уже существовало 3 миллиарда лет назад, поэтому в то время конвекцию во внешнем ядре должны были вызывать другие процессы».

Молодой возраст внутреннего ядра может означать, что в начале истории Земли тепло, кипящее жидкое ядро, исходило от легких элементов, отделяющихся от железа, а не от кристаллизации железа, которую мы наблюдаем сегодня.

«Споры о возрасте внутреннего ядра ведутся уже давно, – сказал Дэниел Фрост, научный сотрудник BSL. «Сложность заключается в следующем: если внутреннее ядро ​​могло существовать только 1,5 миллиарда лет, исходя из того, что мы знаем о том, как оно теряет тепло и насколько оно горячее, то откуда взялось старое магнитное поле? Вот откуда пришла идея растворенных световых элементов, которые затем замерзают ».

Морозильный утюг

Асимметричный рост внутреннего ядра объясняет загадку трех десятилетней давности – то, что кристаллизованное железо в ядре, кажется, предпочтительно выровнено вдоль оси вращения Земли, в большей степени на западе, чем на востоке, тогда как можно было бы ожидать кристаллы должны быть ориентированы случайным образом.

Доказательства этого совпадения получены из измерений времени прохождения сейсмических волн от землетрясений через внутреннее ядро. Сейсмические волны распространяются быстрее в направлении оси вращения с севера на юг, чем вдоль экватора, асимметрия, которую геологи приписывают кристаллам железа, которые являются асимметричными, у которых длинные оси преимущественно ориентированы вдоль оси Земли.

Если ядро ​​представляет собой твердое кристаллическое железо, как кристаллы железа ориентируются преимущественно в одном направлении?

В попытке объяснить наблюдения, Фрост и его коллеги Марин Ласблис из Нантского университета во Франции и Брайан Чандлер и Романович из Калифорнийского университета в Беркли создали компьютерную модель роста кристаллов во внутреннем ядре, которая включает геодинамические модели роста и физику минералов железа. при высоком давлении и высокой температуре.

«Самая простая модель казалась немного необычной – внутреннее ядро ​​асимметрично», – сказал Фрост. «Западная сторона выглядит иначе, чем восточная сторона вплоть до центра, а не только в верхней части внутреннего ядра, как предполагают некоторые. Единственный способ объяснить это – одна сторона растет быстрее другой ».

Модель описывает, как асимметричный рост – примерно на 60% выше на востоке, чем на западе – может предпочтительно ориентировать кристаллы железа вдоль оси вращения, с большей ориентацией на западе, чем на востоке, и объяснять разницу в скорости сейсмических волн во внутреннем пространстве. основной.

«В этой статье мы предлагаем модель однобокой твердой конвекции во внутреннем ядре, которая согласовывает данные сейсмических наблюдений и правдоподобные геодинамические граничные условия», – сказал Романович.

Фрост, Романович и их коллеги сообщат о своих выводах в выпуске журнала на этой неделе. Природа Геонауки.

Исследование недр Земли сейсмическими волнами

Земля внутри многослойна, как лук. Твердое железо-никелевое внутреннее ядро ​​- сегодня его радиус составляет 1200 километров (745 миль), или около трех четвертей размера Луны – окружено жидким внешним ядром из расплавленного железа и никеля толщиной около 2400 километров (1500 миль). Внешнее ядро ​​окружено мантией из горячих горных пород толщиной 2900 километров (1800 миль) и перекрывается тонкой прохладной каменистой корой на поверхности.

Конвекция возникает как во внешнем ядре, которое медленно закипает, когда тепло кристаллизующегося железа выходит из внутреннего ядра, так и в мантии, когда более горячая порода движется вверх, чтобы нести это тепло от центра планеты к поверхности. Интенсивное кипение во внешнем ядре из жидкого железа создает магнитное поле Земли.

Согласно компьютерной модели Фроста, которую он создал с помощью Ласблиса, по мере роста кристаллов железа гравитация перераспределяет избыточный рост с востока на запад внутри внутреннего ядра. Это движение кристаллов внутри довольно мягкого твердого тела внутреннего ядра – которое близко к температуре плавления железа при таких высоких давлениях – выравнивает кристаллическую решетку вдоль оси вращения Земли в большей степени на западе, чем на востоке.

Карта, показывающая сейсмометры (треугольники), с помощью которых исследователи измеряли сейсмические волны от землетрясений (кружки) для изучения внутреннего ядра Земли. На станциях, окрашенных в голубой цвет, были сделаны новые измерения для исследования, в основном пробы внутреннего ядра между северным и южным полюсами. (Рисунок Калифорнийского университета в Беркли Дэниела Фроста)

Модель правильно предсказывает новые наблюдения исследователей о времени прохождения сейсмической волны через внутреннее ядро: анизотропия или разница во времени прохождения параллельно и перпендикулярно оси вращения увеличивается с глубиной, а самая сильная анизотропия смещается к западу от земной поверхности. ось вращения примерно на 400 километров (250 миль).

По словам Фроста, модель роста внутреннего ядра также ограничивает соотношение никеля и железа в центре Земли. Его модель не точно воспроизводит сейсмические наблюдения, если никель не составляет от 4% до 8% внутреннего ядра, что близко к доле в металлических метеоритах, которые когда-то предположительно были ядрами карликовых планет в нашей Солнечной системе. Модель также сообщает геологам, насколько вязким или текучим является внутреннее ядро.

«Мы предполагаем, что вязкость внутреннего ядра относительно велика, что является важным входным параметром для геодинамиков, изучающих динамо-процессы во внешнем ядре», – сказал Романович.

Эдди Гонсалес-младший MessageToEagle.com