Найден способ определить точный возраст внутреннего ядра Земли: ученым поможет переохлаждение

Глубоко под нашими ногами на глубине более 5100 км находится внутреннее ядро Земли — твердый шар из железа и никеля, играющий важную роль в формировании условий на поверхности планеты. На самом деле его не просто так называют "сердцем" Земли — без него мы вообще вряд ли существовали бы, пишет Live Science.

Однако, несмотря на значимость внутреннего ядра Земли, нам все еще слишком мало известно о нем — в особенности о том, как и когда оно сформировалось и развивалось. Фактически у ученых даже нет ответа на вопрос: сколько ему лет? К счастью для науки, физика минералов, похоже, приближает нас к разгадке.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Внутреннее ядро планеты отвечает за магнитное поле Земли, действующее как щит от вредного солнечного излучения, а потому, вероятно, играло важную роль в формировании условий, которые когда-то позволили жизни процветать на планете. Известно, что вначале своего пути земное ядро было жидким, а со временем затвердело. По мере того как Земля постепенно остывает, ядро расширяется наружу, когда окружающая богатая железом жидкость "замерзает". Тем не менее оно все еще очень горячее, не менее 5000 Кельвинов (4726,85 градуса по Цельсию).

В процессе остывания высвобождаются элементы, такие как кислород и углерод, которые несовместимы с нахождением в горячем твердом теле. Жидкость поднимается в жидкое внешнее ядро ​​и смешивается с ним, что создает электрические токи, которые генерируют наше магнитное поле.

Загадочная кристаллизация

Годами ученые пытаются понять, как магнитное поле Земли развивалось, используя для этого модели, имитирующие тепловое состояние ядра и мантии. Именно эти модели помогают геофизика понять, как тепло передается и распределяется внутри планеты.

Ведущая теория предполагает, что внутреннее ядро планеты впервые появилось, когда жидкость остыла до точки плавления — именно этот момент ученые считают точкой, когда "сердце" Земли начало замерзать. Однако эта точка не точно отражает процесс замерзания.

В новом исследовании ученые изучили процесс "переохлаждения", когда жидкость охлаждается ниже точки замерзания, не превращаясь при этом в твердое тело. Например, с водой это происходит в атмосфере, иногда достигая минус 30 °C перед образованием града. Нечто подобное, как считают ученые, произошло и с железом в ядре Земли.

Расчеты ученых показывают, что для замерзания чистого железа во внутреннем ядре Земли требуется до 1000 Кельвинов переохлаждения. Проводимость ядра предполагает, что оно охлаждается со скоростью 100-200 Кельвинов примерно за миллиард лет. Такой уровень переохлаждения подразумевает, что ядро ​​должно было бы находиться ниже точки плавления в течение всей своей истории — от 1000 до 500 миллионов лет.

Увы, человечество никогда не сможет получить прямой доступ к внутреннему ядру Земли, а потому ученые вынуждены полагаться на сейсмологию для изучения недр планеты. Внутренне ядро планеты было открыто почти 100 лет назад, в 1936 год, а его размер (около 20% радиуса Земли) является одним из наиболее ограниченных свойств глубин Земли. Исследователи используют эту информацию, чтобы оценить температуру ядра, предполагая, что граница между твердым и жидким телом представляется собой пересечение точки плавления и температуры ядра.

Ученые используют те же данные, чтобы оценить максимальную степень переохлаждения, которое могло бы быть до того, как внутреннее ядро планеты начало формироваться. Если земное ядро замерзло относительно недавно — текущее тепловое состояние на границе внутреннего и внешнего ядра показывает, насколько объединенное ядро могло быть ниже своей точки плавления, когда внутреннее ядро впервые начало замерзать. Результаты указывают на то, что самое большое ядро могло быть переохлаждено примерно на 400 Кельвинов.

Любопытно, что это значение минимум вдвое больше, чем в целом допускает сейсмология. В то же время, если ядро было переохлаждено на 1000 Кельвинов до замерзания, внутреннее ядро планеты должно было бы быть намного больше, чем наблюдается сегодня. Более того, ученые полагают, что если для замерзания необходимо 1000 Кельвинов, но оно никогда не было достигнуто, внутреннее ядро вообще не должно существовать.

Новый анализ

Физики-минералоги протестировали чистое железо и другие смеси, это помогло определить, какое переохлаждение необходимо для начала формирования внутреннего ядра. Команда отмечает, что их исследования пока не дали окончательного ответа, однако уже есть многообещающие результаты.

Во-первых, ученые узнали, что неожиданные кристаллические структуры и присутствие углерода могут влиять на переохлаждение. Это указывает на то, что определенная химия или структура, ранее не рассматриваемые учеными, могут требовать попросту не требовать такого необоснованно огромного переохлаждения.

Во-вторых, если земное ядро может замерзнуть при температуре переохлаждения менее 400 Кельвинов, это может объяснить наличие внутреннего ядра в том виде, каким мы его знаем сегодня.