В какой-то момент 4,5-миллиардной истории Земли ее полностью жидкое железное ядро остыло достаточно, чтобы образовать твердый шар в центре. Сегодня ядро нашей планеты состоит из твердого железного внутреннего ядра, окруженного расплавленным железным внешним ядром, но точно определить, когда произошло это изменение, оказалось довольно трудно.
Оценки варьируются от 4,5 миллиардов лет назад — возраст самой Земли — до 565 миллионов лет назад; теперь новое исследование наконец-то сузило его. По данным, полученным в ходе лабораторных экспериментов, создающих условия, приближающиеся к тем, которые существуют в ядре планеты, возраст внутреннего ядра должен быть где-то между 1 миллиардом и 1,3 миллиардом лет.
В свою очередь, это помогает нам сузить возраст геодинамики, которая питает магнитное поле вокруг Земли. Это магнитное поле способствует созданию условий, гостеприимных для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, защищая атмосферу планеты от сдувания солнечным ветром.
Поэтому неудивительно, что ученые глубоко заинтересованы в том, как оно появилось и как поддерживается.
«Людям действительно интересно узнать о происхождении геодинамо, силе магнитного поля, потому что все они способствуют обитаемости планеты», — сказал геолог Юнг-Фу Линь из Техасского университета в Остине.
Геодинамо создается за счет циркуляции проводящего железа во внешнем ядре, приводимом в движение конвекцией, которая питается от двух механизмов.
Во-первых, существует тепловая конвекция, создаваемая колебаниями температуры; это может происходить в полностью жидком ядре. Во-вторых, существует композиционная конвекция, при которой более легкие элементы, высвобождающиеся на внутренней границе ядра, поднимаются через внешнее жидкое ядро, создавая движение.
В обоих случаях эта проводящая жидкость создает электрические токи, которые заряжают сердечник, по существу превращая его в гигантский электромагнит. В настоящее время оба типа конвекции присутствуют в ядре Земли, в равной степени способствуя геодинамо.
Но до того, как твердое ядро кристаллизовалось, в ядре Земли была возможна только тепловая конвекция. Она способна генерировать геодинамо, но для того, чтобы поддерживать его в течение миллиардов лет, как это требуется для более молодых оценок возраста внутреннего ядра, железо должно быть очень горячим — что нереально.
Для проведения и поддержания таких температур теплопроводность железа — как, например, способность эффективно проводить тепло — должна быть высокой. Поэтому команда решила проверить теплопроводность железа под давлением и при температурах, приближающихся к температурам в сердечнике.
Для этого взяли образец железа, взорвали его лазерами, чтобы нагреть, и расплющили в алмазной наковальне. Это заняло гораздо больше времени, чем описывается: много попыток в течение двух лет. В конце концов, однако, команде удалось измерить электрическую и тепловую проводимость образца при 170 гигапаскалях давления (это в 170 миллионов раз превышает атмосферное давление на уровне моря) и температуре 3000 Кельвинов.
Давления во внешнем ядре находятся в диапазоне от 135 до 330 гигапаскалей от внешней границы до границы внутреннего ядра, а температуры — в диапазоне от 4000 до 5000 Кельвинов. Считается, что внутренний сердечник достигает более 6 000 Кельвинов (но железо затвердевает под интенсивным давлением).
Когда команда измерила проводимость в образце, они обнаружили, что она на 30-50 процентов ниже, чем требуется для оценки возраста внутреннего ядра в 565 миллионов лет. Следовательно, исследователи могут установить верхний предел теплопроводности жидкого железа в условиях ядра, что, в свою очередь, устанавливает верхний предел того, сколько тепла может быть проведено и удержано.
С помощью всего этого они могли бы, наконец, оценить возраст внутреннего ядра Земли.
«Как только вы действительно узнаете, сколько тепла поступает от внешнего ядра к нижней мантии, вы можете действительно подумать о том, когда Земля достаточно остыла до такой степени, что внутреннее ядро начинает кристаллизоваться», — сказал геолог Юнг-Фу Линь.
Интересно, что временная шкала команды аккуратно падает с изменением магнитного поля Земли. Расположение магнитных материалов в горных породах, датируемых 1-1, 5 миллиардами лет назад, показывает, что примерно в это время произошло увеличение напряженности магнитного поля — как и следовало ожидать для времени кристаллизации внутреннего ядра.
Однако аналогичный рост наблюдался и 565 миллионов лет назад. Если внутреннее ядро кристаллизовалось раньше, то это означает, что то, что сделала Земля 565 миллионов лет назад, до сих пор остается загадкой.
«Для устранения этого несоответствия необходимы дальнейшие исследования в области физики минералов, геодинамики и палеомагнетизма», — пишут исследователи.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Источник:
