Je jadro Zeme jednostranné? Vo vnútri našej planéty sa deje niečo zvláštne

Modely, ako vnútorné jadro Zeme stuhlo do pevného železa, môžu byť staré iba 500 miliónov rokov.

Z neznámych dôvodov rástlo vnútorné jadro Zeme-železo na jednej strane rýchlejšie ako na druhej a je tu odvtedy, čo začalo tuhnúť z roztaveného železa pred pol miliardou rokov, vyplýva zo štúdie seizmológov. štúdium. Kalifornská univerzita v Berkeley.

Prudký rozvoj v indonézskom Banda mori nenechal jadro jednostranné. Gravitácia rovnomerne rozdeľuje nový prírastok – železné kryštály, ktoré sa tvoria pri ochladení roztaveného železa -, aby sa udržalo sférické vnútorné jadro, ktoré dorastá do priemerného polomeru 1 milimeter ročne.

Zvýšený rast na jednej strane ale naznačuje, že niečo vo vonkajšom jadre alebo plášti Zeme v Indonézii odvádza teplo z vnútorného jadra rýchlejšie ako v opačnom smere pod Brazíliou. Rýchle ochladenie na jednej strane urýchli kryštalizáciu železa a rast vnútorného jadra na tejto strane.

To má dôsledky pre magnetické pole Zeme a jeho históriu, pretože konvekcia vo vonkajšom jadre je poháňaná uvoľňovaním tepla z vnútorného jadra, ktoré dnes poháňa dynamo, ktoré generuje magnetické pole, ktoré nás chráni pred nebezpečnými časticami zo Slnka.

Nový model od seizmológov UC Berkeley navrhuje, aby sa vnútorné jadro Zeme pohybovalo rýchlejšie na jeho východnej strane (vľavo) ako na západe. Gravitácia vyrovnáva asymetrický rast tlačením kryštálov železa smerom k severnému a južnému pólu (šípky). Týmto sa vyrovná dlhá os železného kryštálu s osou rotácie planéty (prerušovaná čiara), čo vysvetľuje rôzne doby cestovania seizmických vĺn cez vnútorné jadro. zápočet: Grafika Marine Lesblis

„Poskytujeme dosť voľný limit na vek vnútorného jadra – medzi pol miliardou a 1,5 miliardami rokov -, ktorý môže pomôcť diskutovať o tom, ako vzniklo magnetické pole predtým, ako existovalo pevné vnútorné jadro,“ povedala Barbara Romanowiczová, profesorka na vysokej škole v katedra vied o Zemi a planétach na UC Berkeley a emeritný riaditeľ Berkeleyho seizmologického laboratória (BSL). „Vieme, že magnetické pole existovalo už pred 3 miliardami rokov, takže konvekcia musela vo vonkajšom jadre v tom čase pôsobiť aj v iných procesoch.“

Mladistvosť vnútorného jadra môže znamenať, že na začiatku histórie Zeme teplo, ktoré varilo tekuté jadro, pochádzalo zo svetelných prvkov oddeľujúcich sa od železa, nie zo kryštalizácie železa, ktorú vidíme dnes.

„Diskusia o veku vnútorného jadra trvá už dlho,“ uviedol Daniel Frost, asistent vedúceho projektu v BSL. „Komplikácia je táto: Ak vnútorné jadro existuje iba 1,5 miliardy rokov, z toho, čo vieme o tom, ako stráca teplo a aké je horúce, odkiaľ pochádza staré magnetické pole? Odkiaľ pochádzajú rozpustené svetelné prvky . „Prišli nápady, ktoré potom zamrzli.“

mraziace železo

Asymetrický rast vnútorného jadra vysvetľuje tri desaťročia staré tajomstvo – že kryštalizované železo v jadre sa vyrovnáva prednostne s osou rotácie Zeme, viac na západe ako na východe, zatiaľ čo by sa dalo očakávať, že kryštalizácia bude správne orientovaná .

Dôkaz o tomto zosúladení pochádza z meraní času prechodu seizmických vĺn vnútorným jadrom po zemetrasení. Seizmické vlny sa pohybujú rýchlejšie v smere osi sever – juh ako na rovníku, čo je asymetria charakteristická pre geologické kryštály železa – ktoré sú asymetrické – s dlhými osami prednostne vyrovnanými s osou Zeme.

Ak je jadrom pevné kryštalické železo, ako sú kryštály železa orientované prednostne v jednom smere?

V snahe vysvetliť pozorovania Frost a jeho kolegovia Marine Lasbliss z Université de Nantes vo Francúzsku a Brian Chandler a Romanowicz z UC Berkeley vytvorili počítačový model rastu kryštálov vo vnútornom jadre, ktorý obsahuje model rastu geodynamiky a minerálnu fyziku zo železa. Sú v cene. pri vysokom tlaku a vysokej teplote.

„Najjednoduchší model sa zdal trochu neobvyklý – to, že vnútorné jadro je asymetrické,“ uviedol Frost. „Západná strana vyzerá inak ako východná strana až po stred, nielen hornú časť vnútorného jadra, ako niektorí naznačili. Existuje iba jeden spôsob, ako môžeme vysvetliť, že jedna strana je druhá. Rastie rýchlejšie ako táto.“ „

Model popisuje, ako asymetrický rast – asi o 60% väčší na východe ako na západe – môže prednostne orientovať železné kryštály pozdĺž osi rotácie, s väčším vyrovnaním na západe ako na východe, a seizmické vlny vo vnútri. rozdiel v rýchlosti. Roh.

„To, čo v tomto dokumente navrhujeme, je model jednosmernej pevnej konvekcie vo vnútornom jadre, ktorá zmieruje seizmické pozorovania a pravdepodobné geodynamické okrajové podmienky,“ uviedol Romanowicz.

Frost, Romanowicz a ich kolegovia informujú o svojich zisteniach v tohtotýždňovom vydaní časopisu prírodná geológia.

Sondovanie vnútra Zeme seizmickými vlnami

Vnútro Zeme je šupinaté ako cibuľa. Pevné vnútorné jadro železo-nikel – dnes v okruhu 1 200 kilometrov (asi tri štvrtiny veľkosti Mesiaca) – je obklopené tekutým vonkajším jadrom z roztaveného železa a niklu s hrúbkou asi 2 400 kilometrov. Vonkajšie jadro je obklopené plášťom horúcej horniny hrubej 2 900 kilometrov (1 800 mil) a na povrchu je pokryté tenkou, studenou a skalnatou kôrou.

Konvekcia nastáva jednak vo vonkajšom jadre, ktoré pomaly vrie, keď teplo z vykryštalizovaného železa uniká z vnútorného jadra, jednak v plášti, keď sa horúca hornina pohybuje nahor a prenáša toto teplo zo stredu planéty na povrch. Prudký vriaci pohyb vo vonkajšom jadre kvapalného železa vytvára magnetické pole Zeme.

Podľa Frostovho počítačového modelu, ktorý vytvoril pomocou Lesblisa, keď rastú železné kryštály, gravitácia prerozdeľuje nadmerný rast vo vnútornom jadre z východu na západ. Tento pohyb kryštálov v mäkkej pevnej látke vnútorného jadra – ktorý je blízko bodu topenia železa pri týchto vysokých tlakoch – vyrovnáva kryštalickú mriežku s osou rotácie Zeme vo väčšej miere na západe ako na východe.

Model správne predpovedá nové pozorovania vedcov týkajúce sa času prechodu seizmických vĺn cez vnútorné jadro: Anizotropia alebo rozdiel v čase jazdy paralelne s osou rotácie a kolmo na ňu sa zväčšujú s hĺbkou a najsilnejšia anizotropia na Zemi je vyrovnaná. zo západu. os rotácie asi o 400 kilometrov (250 mi).

Frost uviedol, že model vývoja vnútorného jadra tiež obmedzuje pomer niklu a železa v strede Zeme. Ich model nereprodukuje presne seizmické pozorovania, kým nikel nevytvorí medzi 4% a 8% vnútorného jadra – čo je blízko k podielu kovových meteoritov, ktoré pravdepodobne tvoria jadrá trpasličích planét v našej slnečnej sústave. Tento model tiež hovorí geológom, aké viskózne alebo tekuté je vnútorné jadro.

„Navrhujeme, aby viskozita vnútorného jadra bola pomerne veľká, čo je vstupný parameter, ktorý je dôležitý pre geodynamiku, ktorá študuje procesy dynama vo vonkajšom jadre,“ uviedol Romanowicz.

Referencia: Daniel A. „Dynamická história vnútorného jadra narušená seizmickou anizotropiou“, autor: Frost, Marine Lasblis, Brian Chandler a Barbara Romanowicz, 3. júna 2021, prírodná geológia.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00761-W

Frost a Romanowicz boli podporení z grantu Národnej vedeckej nadácie (EAR-1135452, EAR-1829283).