Внутреннее ядро Земли не только охлаждается, но и нагревается

Внутреннее ядро Земли одновременно плавится и кристаллизуется из-за циркуляции тепла в вышележащей мантии, утверждают исследователи из Университета Лидса (Великобритания), Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) и Индийского технологического института.

«Происхождение магнитного поля Земли остаётся загадкой, — поясняет соавтор исследования Джон Маунд из Университета Лидса. — Мы не можем пойти и взять образцы центра Земли, поэтому нам остаётся полагаться на поверхностные измерения и компьютерные модели. Так вот, наша новая модель обеспечивает довольно простое объяснение некоторых измерений, которые озадачивали учёных в течение многих лет. Она предполагает, что вся динамика ядра Земли так или иначе связана с тектоникой плит. И это вовсе не очевидно из наземных наблюдений. Если модель будет верифицирована, это серьёзно поможет понять, как образуется внутреннее ядро и как оно генерирует магнитное поле Земли».

Внутреннее ядро Земли представляет собой шар из твёрдого железа размером с Луну. Он окружён подвижным внешним ядром, состоящим из жидкого сплава железа и никеля (и некоторых других, более лёгких элементов), вязкой мантией и твёрдой корой, на которой мы живём. Внутреннее ядро растёт со скоростью около 1 мм в год, по мере того как железо охлаждается и кристаллизуется. Тепло, покидающее ядро, попадает в мантию и затем в кору. Мантия, нагретая ядром, поднимается ближе к поверхности, тогда как её более холодные слои опускаются. Эта конвекция запускает геодинамо и в сочетании с вращением Земли генерирует магнитное поле.

Совсем недавно учёные начали понимать, что внутреннее ядро может не только кристаллизоваться, но и плавиться. Это вызвало горячие споры о том, как подобное возможно при условии, что внутренняя часть Земли охлаждается. Вот эту тайну и попытались раскрыть авторы нового исследования.

С помощью компьютерной модели конвекции во внешнем ядре и данных сейсмологии они показали, что тепловой поток на границе ядра и мантии варьируется в зависимости от структуры вышележащей мантии. В некоторых регионах это изменение оказывается достаточно большим, чтобы тепло из мантии отправлялось обратно в ядро, вызывая локальное плавление.

Модель показывает, что под сейсмически активным «Огненным кольцом» Тихого океана, где тектонические плиты подползают одна под другую, холодные остатки океанических плит в нижней части мантии оттягивают на себя большое количество тепла от ядра. Это дополнительное охлаждение мантии порождает нисходящие потоки холодного материала, которые пересекают внешнее ядро и охлаждают внутреннее.

С другой стороны, в двух больших регионах под Африкой и Тихим океаном, где нижняя мантия горячее, чем в среднем, из ядра выходит меньше тепла. Внешнее ядро под этими регионами может становиться достаточно тёплым, чтобы вызывать плавление внутреннего ядра. «Если это так, то динамика вблизи границы внешнего и внутреннего ядер может оказаться более сложной, чем считалось, — подчёркивает соавтор Бинод Шринивасан из Индийского технологического института. — С одной стороны, у нас есть сгустки лёгкого материала, постоянно образующиеся там, где кристаллизуется чистое железо. С другой — плавление создаёт слой плотной жидкости над границей. Таким образом, сгусткам лёгких элементов предстоит пройти через этот слой, прежде чем они смогут попасть в вышележащее внешнее ядро. Интересно, что не все модели геодинамо предусматривают попадание тепла во внутреннее ядро. Получается, что возможность плавления внутреннего ядра налагает мощное ограничение на режим, в котором может работать земная динамо-машина».

Себастьян Рост из Университета Лидса добавляет: «Наша модель объясняет некоторые сейсмические измерения, которые показали, что существует слой плотной жидкости, окружающей внутреннее ядро. Гипотеза локального плавления способна также объяснить, почему сейсмические волны землетрясений через одни части ядра перемещаются быстрее, чем через другие».

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Дмитрий Целиков

Источники: