Знайдено спосіб визначити точний вік внутрішнього ядра Землі: вченим допоможе переохолодження

Глибоко під нашими ногами на глибині понад 5100 км розташоване внутрішнє ядро Землі — тверда куля із заліза і нікелю, що відіграє важливу роль у формуванні умов на поверхні планети. Насправді його не просто так називають "серцем" Землі — без нього ми взагалі навряд чи існували б, пише Live Science.

Однак, попри значущість внутрішнього ядра Землі, нам все ще занадто мало відомо про нього — особливо про те, як і коли воно сформувалося і розвивалося. Фактично у вчених навіть немає відповіді на запитання: скільки йому років? На щастя для науки, фізика мінералів, схоже, наближає нас до розгадки.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Внутрішнє ядро планети відповідає за магнітне поле Землі, що діє як щит від шкідливого сонячного випромінювання, а тому, ймовірно, відігравало важливу роль у формуванні умов, які колись дали змогу життю процвітати на планеті. Відомо, що спочатку свого шляху земне ядро було рідким, а згодом затверділо. У міру того як Земля поступово остигає, ядро розширюється назовні, коли навколишня багата залізом рідина "замерзає". Проте воно все ще дуже гаряче, не менше 5000 Кельвінів (4726,85 градуса за Цельсієм).

У процесі охолодження вивільняються елементи, такі як кисень і вуглець, які несумісні з перебуванням у гарячому твердому тілі. Рідина підіймається в рідке зовнішнє ядро і змішується з ним, що створює електричні струми, які генерують наше магнітне поле.

Загадкова кристалізація

Роками вчені намагаються зрозуміти, як магнітне поле Землі розвивалося, використовуючи для цього моделі, що імітують тепловий стан ядра і мантії. Саме ці моделі допомагають геофізикам зрозуміти, як тепло передається і розподіляється всередині планети.

Провідна теорія передбачає, що внутрішнє ядро планети вперше з'явилося, коли рідина охолола до точки плавлення — саме цей момент учені вважають точкою, коли "серце" Землі почало замерзати. Однак ця точка не точно відображає процес замерзання.

У новому дослідженні вчені вивчили процес "переохолодження", коли рідина охолоджується нижче точки замерзання, не перетворюючись при цьому на тверде тіло. Наприклад, з водою це відбувається в атмосфері, іноді досягаючи мінус 30 °C перед утворенням граду. Щось подібне, як вважають учені, сталося і з залізом у ядрі Землі.

Розрахунки вчених показують, що для замерзання чистого заліза у внутрішньому ядрі Землі потрібно до 1000 Кельвінів переохолодження. Провідність ядра передбачає, що воно охолоджується зі швидкістю 100-200 Кельвінів приблизно за мільярд років. Такий рівень переохолодження передбачає, що ядро мало б перебувати нижче точки плавлення протягом усієї своєї історії — від 1000 до 500 мільйонів років.

На жаль, людство ніколи не зможе отримати прямий доступ до внутрішнього ядра Землі, а тому вчені змушені покладатися на сейсмологію для вивчення надр планети. Внутрішнє ядро планети було відкрито майже 100 років тому, в 1936 рік, а його розмір (близько 20% радіуса Землі) є однією з найбільш обмежених властивостей глибин Землі. Дослідники використовують цю інформацію, щоб оцінити температуру ядра, припускаючи, що межа між твердим і рідким тілом являє собою перетин точки плавлення і температури ядра.

Вчені використовують ті ж дані, щоб оцінити максимальний ступінь переохолодження, яке могло б бути до того, як внутрішнє ядро планети почало формуватися. Якщо земне ядро замерзло відносно недавно — поточний тепловий стан на кордоні внутрішнього і зовнішнього ядра показує, наскільки об'єднане ядро могло бути нижче за свою точку плавлення, коли внутрішнє ядро вперше почало замерзати. Результати вказують на те, що найбільше ядро могло бути переохолоджене приблизно на 400 Кельвінів.

Цікаво, що це значення мінімум удвічі більше, ніж загалом допускає сейсмологія. Водночас якщо ядро було переохолоджене на 1000 Кельвінів до замерзання, внутрішнє ядро планети мало б бути набагато більшим, ніж спостерігається сьогодні. Ба більше, вчені вважають, що якщо для замерзання необхідно 1000 Кельвінів, але воно ніколи не було досягнуто, внутрішнє ядро взагалі не повинно існувати.

Новий аналіз

Фізики-мінералоги протестували чисте залізо та інші суміші, це допомогло визначити, яке переохолодження необхідне для початку формування внутрішнього ядра. Команда зазначає, що їхні дослідження поки що не дали остаточної відповіді, проте вже є перспективні результати.

По-перше, вчені дізналися, що несподівані кристалічні структури та присутність вуглецю можуть впливати на переохолодження. Це вказує на те, що певна хімія або структура, які раніше не розглядалися вченими, можуть вимагати просто не вимагати такого необґрунтовано величезного переохолодження.

По-друге, якщо земне ядро може замерзнути при температурі переохолодження менше ніж 400 Кельвінів, це може пояснити наявність внутрішнього ядра в тому вигляді, яким ми його знаємо сьогодні.

Раніше Фокус писав про те, що з ядром Землі коїться щось дивне: вчені нарешті з'ясували, чому це відбувається.