Недра Земли остывают быстрее, чем ожидалось

Измерительное устройство для определения теплопроводности бриджманита при высоком давлении и экстремальных температурах. 

Эволюция нашей Земли — это история ее остывания: 4,5 миллиарда лет назад на поверхности молодой Земли царили экстремальные температуры, и она была покрыта глубоким океаном магмы. За миллионы лет поверхность планеты остыла, образовав хрупкую кору. Однако огромная тепловая энергия, исходящая из недр Земли, приводит в движение динамические процессы, такие как мантийная конвекция, тектоника плит и вулканизм.

Тем не менее, до сих пор остаются без ответа вопросы о том, насколько быстро Земля остыла и сколько времени может потребоваться, чтобы это продолжающееся охлаждение остановило вышеупомянутые тепловые процессы.

Один из возможных ответов может заключаться в теплопроводности минералов, образующих границу между ядром Земли и мантией.

Этот пограничный слой актуален, поскольку именно здесь вязкая порода мантии Земли находится в непосредственном контакте с горячим железоникелевым расплавом внешнего ядра планеты. Температурный градиент между двумя слоями очень крутой, поэтому здесь потенциально много тепла. Пограничный слой образован в основном минералом бриджманитом. Однако исследователи затрудняются оценить, сколько тепла этот минерал проводит из ядра Земли в мантию, потому что экспериментальная проверка очень сложна.

Теперь профессор ETH Мотохико Мураками и его коллеги из Института науки Карнеги разработали сложную измерительную систему, которая позволяет им измерять теплопроводность бриджманита в лаборатории в условиях давления и температуры, которые преобладают внутри Земли. Для измерений они использовали недавно разработанную систему измерения оптического поглощения в алмазном блоке, нагреваемом импульсным лазером.

«Эта измерительная система позволила нам показать, что теплопроводность бриджманита примерно в 1,5 раза выше, чем предполагалось», — говорит Мураками. Это говорит о том, что поток тепла из ядра в мантию также выше, чем считалось ранее. Больший тепловой поток, в свою очередь, увеличивает мантийную конвекцию и ускоряет охлаждение Земли. Это может привести к тому, что тектоника плит, которая поддерживается конвективными движениями мантии, будет замедляться быстрее, чем ожидали исследователи, основываясь на предыдущих значениях теплопроводности.

Мураками и его коллеги также показали, что быстрое охлаждение мантии изменит стабильные минеральные фазы на границе ядра и мантии. При охлаждении бриджманит превращается в минерал постперовскит. Но как только постперовскит появится на границе ядра и мантии и начнет доминировать, охлаждение мантии действительно может ускориться еще больше, считают исследователи, поскольку этот минерал проводит тепло даже более эффективно, чем бриджманит.

«Наши результаты могут дать нам новый взгляд на эволюцию динамики Земли. Они предполагают, что Земля, как и другие твердые планеты Меркурий и Марс, остывает и становится неактивной гораздо быстрее, чем ожидалось», — объясняет Мураками.

Однако он не может сказать, сколько времени потребуется, например, для прекращения конвекционных течений в мантии. «Мы до сих пор недостаточно знаем о таких событиях, чтобы определить их время». Для этого необходимо сначала лучше понять, как работает мантийная конвекция в пространственном и временном плане. Кроме того, ученым необходимо выяснить, как распад радиоактивных элементов в недрах Земли — одного из основных источников тепла — влияет на динамику мантии.