Загадкову структуру «пончик» знайшли всередині земного ядра

Близько 2890 кілометрів під нашими ногами лежить гігантська куля рідкого металу: ядро ​​нашої планети. Такі вчені, як я, використовують сейсмічні хвилі, створювані землетрусами, як свого роду ультразвук, щоб «побачити» форму та структуру ядра.

Використовуючи новий спосіб вивчення цих хвиль, ми з моїм колегою Сяолонг Ма зробили дивовижне відкриття: навколо екватора є велика область ядра у формі бублика завтовшки кілька сотень кілометрів, де сейсмічні хвилі поширюються приблизно на 2% повільніше ніж у решті ядра.

Ми вважаємо, що ця область містить більше легких елементів, таких як кремній і кисень, і може відігравати вирішальну роль у величезних потоках рідкого металу, що протікає через ядро, що створює магнітне поле Землі. Наші результати опубліковані в Science Advances.

«Кода-кореляційне хвильове поле»

Більшість досліджень сейсмічних хвиль, створюваних землетрусами, розглядають великі початкові хвильові фронти, які поширюються по всьому світу приблизно через годину після землетрусу.

Ми зрозуміли, що можемо навчитися чогось нового, дивлячись на пізнішу, слабкішу частину цих хвиль, відому як кода – частину, яка завершує музичний твір. Зокрема, ми перевірили, наскільки схожими були коди, записані на різних сейсмічних детекторах, через кілька годин після їх початку.

У математичних термінах ця подібність вимірюється чимось, що називається кореляцією. Разом ми називаємо ці схожості в пізніх частинах хвиль землетрусу «кода-кореляційним хвильовим полем».

Дивлячись на хвильове поле кода-кореляції, ми виявили крихітні сигнали, що походять від кількох реверберуючих хвиль, які інакше ми б не побачили. Розуміючи шляхи, якими пройшли ці ревербераційні хвилі, і зіставляючи їх із сигналами у хвильовому полі кода-кореляції, ми визначили, скільки часу їм знадобилося, щоб подолати планету.

Потім ми порівняли те, що ми побачили в сейсмічних детекторах ближче до полюсів, з результатами ближче до екватора. Загалом хвилі, виявлені ближче до полюсів, рухалися швидше, ніж хвилі біля екватора.

Ми випробували багато комп’ютерних моделей і симуляцій того, які умови в ядрі можуть створити такі результати. Зрештою, ми виявили, що у зовнішньому ядрі навколо екватора має бути тор – область у формі бублика, де хвилі поширюються повільніше.

Раніше цей регіон сейсмологи не виявляли. Однак використання кода-кореляційного хвильового поля дозволяє нам «побачити» зовнішнє ядро ​​більш детально та більш рівномірно. Попередні дослідження показали, що хвилі рухаються повільніше скрізь навколо «стелі» зовнішнього ядра. Однак у цьому дослідженні ми показали, що область низьких швидкостей знаходиться лише поблизу екватора.

Зовнішнє ядро ​​і геодинамо

Зовнішнє ядро ​​Землі має радіус близько 3480 км, що робить його трохи більшим за планету Марс. Він складається в основному із заліза та нікелю з деякими слідами більш легких елементів, таких як кремній, кисень, сірка, водень і вуглець.

Нижня частина зовнішнього ядра гарячіша за верхню, і різниця температур змушує рідкий метал рухатися, як вода в каструлі, що кипить на плиті. Цей процес називається тепловою конвекцією, і ми вважаємо, що постійний рух має означати, що весь матеріал у зовнішньому ядрі досить добре змішаний і однорідний.

Але якщо скрізь у зовнішньому ядрі сповнено однакового матеріалу, сейсмічні хвилі повинні поширюватися скрізь приблизно з однаковою швидкістю. Отже, чому ці хвилі сповільнюються в області у формі бублика, яку ми знайшли?

Ми вважаємо, що в цьому регіоні повинна бути більша концентрація легких елементів. Вони можуть вивільнятися з твердого внутрішнього ядра Землі у зовнішнє ядро, де їхня плавучість створює більшу конвекцію.

Чому легші елементи накопичуються більше в екваторіальній області бублика? Вчені вважають, що це можна пояснити тим, що більше тепла передається від зовнішнього ядра до скелястої мантії над ним у цьому регіоні.

У зовнішньому ядрі також діє інший процес планетарного масштабу. Обертання Землі та невелике тверде внутрішнє ядро ​​змушують рідину зовнішнього ядра організовуватися у довгі вертикальні вихори, що рухаються з півночі на південь, як гігантські водяні свердловини.

Турбулентний рух рідкого металу в цих вихорах створює «геодинамо», відповідальне за створення та підтримку магнітного поля Землі. Це магнітне поле захищає планету від шкідливого сонячного вітру та радіації, уможливлюючи життя на поверхні.

Більш детальне уявлення про структуру зовнішнього ядра – включно з новим пончиком легших елементів – допоможе нам краще зрозуміти магнітне поле Землі. Зокрема, те, як поле змінює свою інтенсивність і напрямок у часі, має вирішальне значення для життя на Землі та потенційної придатності для життя планет і екзопланет.