Тайна твердого железного внутреннего ядра Земли растет с одной стороны быстрее, чем с другой.

Более быстрый рост в море Банда в Индонезии не повлиял на суть рынка. 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.

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

Последствия для магнитного поля Земли

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.

Как мы уже знаем, магнитное поле Земли ослабевает, быстро меняется, и ученые не знают, почему …

«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.” сказала Барбара Романович. «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. «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? Отсюда и возникла 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.

Свидетельством этого совпадения являются измерения 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 асимметричным кристаллам железа, у которых длинные оси преимущественно ориентированы вдоль оси Земли.

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

Асимметричный рост

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 минеральную физику железа. при высоком давлении и высокой температуре.

«Самая простая модель показалась немного необычной — внутреннее ядро ​​асимметрично,”Мороз сказал. «Западная сторона выглядит иначе, чем восточная, 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 преимущественно 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.

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.

Модель правильно предсказывает новые наблюдения исследователей о времени прохождения сейсмических волн через внутреннее ядро: Анизотропия, или разница во времени прохождения параллельно и перпендикулярно оси вращения, увеличивается с глубиной, и самая сильная анизотропия смещается к западу от оси вращения Земли 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.