Czy rdzeń Ziemi jest niezrównoważony? Na naszej planecie dzieje się coś dziwnego

Wycięcie z podglebia pokazuje, że stałe, solidne jądro wewnętrzne (czerwony) rośnie powoli poprzez zamrożenie zewnętrznego rdzenia ciekłego żelaza (pomarańczowy). Fale sejsmiczne przemieszczają się szybciej przez wewnętrzne jądro Ziemi między biegunami północnym i południowym (niebieskie strzałki) niż przez równik (zielona strzałka). Naukowcy doszli do wniosku, że ta różnica prędkości fal sejsmicznych w zależności od kierunku (anizotropia) wynika z preferowanego ustawienia rozwijających się kryształów — heksagonalnych upakowanych stopów żelaza i niklu, które same są anizotropowe — równolegle do osi obrotu Ziemi. Źródło: Rysunek Daniela Frosta

Model krzepnięcia wewnętrznego jądra Ziemi w stałe żelazo sugeruje, że może on mieć zaledwie 500 milionów lat.

Z nieznanych powodów, według nowego badania przeprowadzonego przez sejsmologów trzęsienia ziemi, wewnętrzne jądro Ziemi z litego żelaza rośnie szybciej niż druga strona i dzieje się tak, odkąd zaczęło krzepnąć ze stopionego żelaza ponad pół miliarda lat temu. Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley.

Szybszy wzrost pod Morzem Banda w Indonezji nie zachwiał równowagi w rdzeniu. Grawitacja równomiernie rozprowadza nowy wzrost — kryształy żelaza, które tworzą się, gdy stopione żelazo się ochładza — aby utrzymać sferyczny rdzeń wewnętrzny rosnący w promieniu w tempie 1 milimetra na rok.

Jednak zwiększony wzrost z jednej strony sugeruje, że coś w zewnętrznym jądrze lub płaszczu Ziemi pod Indonezją odprowadza ciepło z wewnętrznego jądra w szybszym tempie niż z drugiej strony, pod Brazylią. Szybsze chłodzenie po jednej stronie przyspieszyłoby krystalizację żelaza i wzrost jądra wewnętrznego po tej stronie.

Ma to wpływ na pole magnetyczne Ziemi i jej historię, ponieważ konwekcja w jądrze zewnętrznym napędzana przez uwalnianie ciepła z jądra wewnętrznego napędza dziś dynamo, które generuje pole magnetyczne, które chroni nas przed niebezpiecznymi cząsteczkami ze słońca.

Nowy model dla sejsmologów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley sugeruje, że wewnętrzne jądro Ziemi rośnie szybciej po wschodniej stronie (po lewej) niż po zachodniej. Grawitacja równoważy asymetryczny wzrost, popychając kryształy żelaza w kierunku biegunów północnych i południowych (strzałki). Ma to tendencję do wyrównywania długiej osi kryształów żelaza wzdłuż osi obrotu planety (linia przerywana), co wyjaśnia różne czasy przemieszczania się fal sejsmicznych przez rdzeń wewnętrzny. Źródło: rysunek morski Lasplace

„Podajemy dość luźne ograniczenia dotyczące wieku jądra wewnętrznego – od pół miliarda do 1,5 miliarda lat – które mogą być przydatne w dyskusji o tym, jak pole magnetyczne powstało przed zaistnieniem stałego jądra wewnętrznego” – powiedział. Barbara Romanovich, UC Berkeley Graduate School Profesor na Wydziale Nauk o Ziemi i Planetarnych oraz emerytowany dyrektor Berkeley Seismological Laboratory (BSL). „Wiemy, że pole magnetyczne istniało już około 3 miliardy lat temu, więc inne procesy musiały wówczas napędzać konwekcję w zewnętrznym jądrze”.

Młody wiek jądra wewnętrznego, na początku historii Ziemi, może oznaczać, że ciepło, które wrze płynne jądro pochodzi od lekkich pierwiastków, które oddzielają się od żelaza, a nie z krystalizacji żelaza, którą obserwujemy dzisiaj.

„Debata na temat wieku jądra wewnętrznego trwa już od dłuższego czasu” – powiedział Daniel Frost, asystent naukowy projektu w BSL. „Złożoność polega na tym, że jeśli rdzeń wewnętrzny mógł istnieć tylko przez 1,5 miliarda lat, w oparciu o to, co wiemy o tym, jak traci ciepło i jak jest gorąco, to skąd wzięło się najwcześniejsze pole magnetyczne? stopionych lekkich elementów, które następnie zamarzły”.

zamrażanie żelaza

Asymetryczny wzrost jądra wewnętrznego wyjaśnia tajemnicę sprzed trzech dekad – że skrystalizowane żelazo w jądrze wydaje się preferencyjnie ustawione wzdłuż osi obrotu Ziemi, bardziej na zachodzie niż na wschodzie, podczas gdy można by się spodziewać, że kryształy są przypadkowe.

Dowody na to ustawienie pochodzą z pomiarów czasu transmisji fal sejsmicznych z trzęsień ziemi przez rdzeń wewnętrzny. Fale sejsmiczne przemieszczają się szybciej w kierunku osi obrotu północ-południe niż wzdłuż równika, co jest asymetrią, którą geolodzy przypisują asymetrycznym kryształom żelaza, które mają długie osie preferencyjnie ustawione wzdłuż osi Ziemi.

Jeśli rdzeń jest stałym krystalicznym żelazem, w jaki sposób kryształy żelaza są preferencyjnie zorientowane w jednym kierunku?

Próbując wyjaśnić obserwacje, Frost i współpracownicy Maren Lasplace z Uniwersytetu w Nantes we Francji oraz Brian Chandler i Romanovich z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley stworzyli komputerowy model wzrostu kryształów w jądrze wewnętrznym, który obejmuje modele wzrostu geodynamicznego i mineralofizyka żelaza. Przy wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze.

„Najprostszy model wydawał się nieco niezwykły – wewnętrzny rdzeń jest asymetryczny” – powiedział Frost. Zachodnia strona wygląda inaczej niż wschodnia aż do środka, a nie tylko na górze wewnętrznego rdzenia, jak niektórzy sugerowali. Jedynym sposobem, w jaki możemy to wyjaśnić, jest to, że jedna strona rośnie szybciej niż druga”.

Model opisuje, w jaki sposób asymetryczny wzrost – około 60% wyższy na wschodzie niż na zachodzie – może preferencyjnie orientować kryształy żelaza wzdłuż osi spinu, z większym wyrównaniem na zachodzie niż na wschodzie, i wyjaśnia różnicę w prędkości fali sejsmicznej w poprzek wewnętrzny rdzeń.

„W tym artykule proponujemy nierównowagowy model konwekcji ciała stałego w wewnętrznym jądrze, który godzi obserwacje sejsmiczne z prawdopodobnymi geodynamicznymi warunkami brzegowymi” – powiedział Romanovich.

Frost, Romanovich i ich koledzy opowiedzą o swoich odkryciach w wydaniu czasopisma w tym tygodniu nauki przyrodnicze.

Wnętrze Ziemi przez fale sejsmiczne

Podłoże zbudowane jest z warstw jak cebula. Stałe wewnętrzne jądro żelazo-niklowe — dzisiejszy promień 1200 kilometrów (745 mil) lub około trzech czwartych wielkości Księżyca — jest otoczone płynnym zewnętrznym jądrem ze stopionego żelaza i niklu o grubości około 2400 kilometrów (1500 mil). Zewnętrzne jądro otoczone jest warstwą gorącej skały o grubości 2900 kilometrów (1800 mil) i pokrytej cienką, chłodną skorupą skalną na powierzchni.

Konwekcja zachodzi zarówno w jądrze zewnętrznym, które powoli wrze, gdy ciepło skrystalizowanego żelaza ucieka z jądra wewnętrznego, jak iw płaszczu, gdzie gorętsze skały poruszają się w górę, przenosząc to ciepło z centrum planety na powierzchnię. Silny ruch wrzenia zewnętrznego jądra ciekłego żelaza wytwarza pole magnetyczne Ziemi.

Zgodnie z modelem komputerowym Frosta, który opracował z pomocą Lasbleis, w miarę wzrostu kryształów żelaza grawitacja redystrybuuje przerost w kierunku wschód-zachód w wewnętrznym jądrze. Ten ruch kryształów w dość miękkiej bryle jądra wewnętrznego – który jest zbliżony do temperatury topnienia żelaza przy tych wysokich ciśnieniach – wyrównuje sieć krystaliczną wzdłuż osi obrotu Ziemi w większym stopniu na zachodzie niż na wschodzie.

Model poprawnie przewiduje nowe obserwacje badaczy dotyczące czasów przemieszczania się fal sejsmicznych przez jądro wewnętrzne: Anizotropia, czyli różnica w czasach przemieszczania się równoległych i prostopadłych do osi obrotu, zwiększa się wraz z głębokością i jest równoważona przez silniejszą wariancję na zachód Ziemi. Oś obrotu wynosi około 400 kilometrów (250 mil).

Model wzrostu jądra wewnętrznego określa również limity dla stosunku niklu do żelaza w centrum Ziemi, powiedział Frost. Jego model nie odwzorowuje dokładnie obserwacji sejsmicznych, chyba że nikiel stanowi od 4% do 8% wewnętrznego jądra — mniej więcej tyle samo, ile można znaleźć w metalicznych meteorytach, które kiedyś uważano za jądra planet karłowatych w naszym Układzie Słonecznym. Model informuje również geologów, jak lepki jest rdzeń wewnętrzny lub płyn.

„Sugerujemy, że lepkość jądra wewnętrznego jest stosunkowo duża, co jest parametrem wejściowym interesującym geodynamików, którzy badają procesy dynamo w jądrze zewnętrznym” – powiedział Romanovich.

Odniesienie: „Dynamiczna historia wewnętrznego rdzenia ograniczona zmiennością sejsmiczną” Daniel A. Frost, Marin Lasplace, Brian Chandler i Barbara Romanovich, 3 czerwca 2021 r., Dostępne tutaj. nauki przyrodnicze.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00761-w

Frost i Romanowicz otrzymali granty z Narodowej Fundacji Nauki (EAR-1135452, EAR-1829283).