Переохлаждение внутреннего ядра Земли может наконец-то показать, сколько ей лет

Но, несмотря на его значимость, остается загадкой, как он сформировался и развивался. Мы даже не знаем, сколько ему лет. К счастью, физика минералов приближает нас к разгадке этой тайны.

Внутреннее ядро отвечает за магнитное поле Земли, которое действует как щит, защищая нас от вредного солнечного излучения. Возможно, это магнитное поле сыграло важную роль в создании условий, которые позволили жизни процветать миллиарды лет назад.

Внутреннее ядро Земли когда-то было жидким, но со временем превратилось в твердое. По мере того как Земля постепенно остывает, внутреннее ядро расширяется наружу, а окружающая его богатая железом жидкость “замерзает”. При этом оно все еще остается очень горячим, не менее 5000 Кельвинов (К) (4726,85 градуса Цельсия).

В процессе замерзания высвобождаются элементы, такие как кислород и углерод, которые несовместимы с пребыванием в горячем твердом теле. В результате на дне внешнего ядра образуется горячая плавучая жидкость. Жидкость поднимается в жидкое внешнее ядро и смешивается с ним, что создает электрические токи (благодаря “действию динамо”), которые генерируют наше магнитное поле.

Вы когда-нибудь задумывались, за счет чего северное сияние танцует в небе? Вы можете поблагодарить внутреннее ядро.

Криптическая кристаллизация

Чтобы понять, как развивалось магнитное поле Земли на протяжении ее истории, геофизики используют модели, имитирующие тепловое состояние ядра и мантии.

Эти модели помогают нам понять, как распределяется и передается тепло внутри Земли. Они предполагают, что твердое внутреннее ядро впервые появилось, когда жидкость остыла до температуры плавления, принимая это за время , когда она начала замерзать. Проблема в том, что это не совсем точно отражает процесс замерзания.

Поэтому ученые исследовали процесс “переохлаждения”. Переохлаждение – это когда жидкость охлаждается ниже точки замерзания, не превращаясь в твердое тело. Это происходит с водой в атмосфере, которая иногда достигает температуры минус 30 С, прежде чем образуется град, а также с железом в ядре Земли.

Расчеты показывают, что для замораживания чистого железа в ядре Земли требуется переохлаждение до 1 000 К. Учитывая, что проводимость ядра предполагает, что оно охлаждается со скоростью 100-200 К за миллиард лет, это представляет собой серьезную проблему. Такой уровень переохлаждения подразумевает, что ядро должно было находиться ниже точки плавления на протяжении всей своей истории (от 1000 до 500 миллионов лет), что создает дополнительные сложности.

Поскольку мы не можем получить физический доступ к ядру – люди пробурили Землю всего на 12 км, – мы почти полностью полагаемся на сейсмологию, чтобы понять внутреннее строение нашей планеты. Внутреннее ядро было открыто в 1936 году, и его размер (около 20 % от радиуса Земли) является одним из наиболее достоверных свойств глубинных слоев Земли. Мы используем эту информацию для оценки температуры ядра, предполагая, что граница между твердым и жидким веществом представляет собой точку пересечения температуры плавления и температуры ядра.

Это предположение также помогает нам оценить максимальную степень переохлаждения, которое могло произойти до того, как внутреннее ядро начало формироваться из объединенного внутреннего и внешнего ядра. Если ядро замерзло относительно недавно, то текущее тепловое состояние на границе внутреннего и внешнего ядра показывает, насколько объединенное ядро могло быть ниже точки плавления, когда внутреннее ядро только начало замерзать. Это говорит о том, что, самое большее, ядро могло быть переохлаждено примерно на 400 К.

Это по крайней мере вдвое больше, чем допускает сейсмология. Если ядро было переохлаждено на 1 000 К перед замораживанием, то внутреннее ядро должно быть гораздо больше, чем наблюдается. В противном случае, если температура 1 000 К необходима для замораживания и никогда не была достигнута, внутреннее ядро вообще не должно существовать. Очевидно, что ни один из этих сценариев не соответствует действительности, так что же может быть объяснением?

Физики-минералоги провели испытания чистого железа и других смесей, чтобы определить, какой уровень переохлаждения необходим для начала формирования внутреннего ядра. Хотя эти исследования еще не дали окончательного ответа, есть многообещающие успехи.

Например, мы узнали, что неожиданные кристаллические структуры и присутствие углерода могут влиять на переохлаждение. Эти выводы позволяют предположить, что определенная химия или структура, которая ранее не рассматривалась, может не требовать такого неоправданно большого переохлаждения. Если ядро могло замерзнуть при переохлаждении менее чем на 400 К, это может объяснить наличие внутреннего ядра в том виде, в котором мы видим его сегодня.

Последствия непонимания формирования внутреннего ядра имеют далеко идущие последствия. Предыдущие оценки возраста внутреннего ядра варьируются от 500 до 1 000 миллионов лет. Но они не учитывают проблему переохлаждения. Даже скромное переохлаждение в 100 К может означать, что внутреннее ядро на несколько сотен миллионов лет моложе, чем считалось ранее.

Понимание признаков формирования внутреннего ядра в палеомагнитных породах – архиве магнитного поля Земли – крайне важно для тех, кто изучает влияние солнечной радиации на массовые вымирания.

Пока мы лучше не поймем историю магнитного поля, мы не сможем полностью определить его роль в возникновении пригодных для жизни условий и жизни.