;
Кейсы 5 апреля 2022

Внутри Земли есть еще «планета»: как она спасла зарождающуюся жизнь

Далее

Магнитное поле Земли почти такое же старое, как сама планета: оно защищает жизнь от вредного космического излучения. Но 565 млн лет назад поле почти исчезло: его мощность снизилась до 10%, если сравнивать с сегодняшним днем. Ученые считают, что Земля почти чудом восстановилась всего за несколько десятков миллионов лет — как раз, когда многоклеточные организмы начали активно распространяться. «Хайтек» разбирается, как устройство Земли повлияло на развитие жизни.

Внутреннее ядро Земли вращается со своей скоростью, очень горячее и, скорее всего, помогло сохранить жизнь и кислород на нашей планете.

Как Земля могла так быстро восстановить свое магнитное поле?

Ученые все чаще начинают склоняться к мысли, что это произошло из-за появления внутреннего ядра Земли. Это сфера из твердого железа, которая находится внутри расплавленного внешнего ядра. Последнее состоит из бурлящего металла, генерирующего магнитное поле планеты.

Исследователи предполагают, что внутреннее ядро появилось примерно через 4 млрд лет после рождения самой планеты. Оно росло потихоньку, по несколько миллиметров в год. Это, считают ученые, привело к активности во внешнем ядре и спровоцировало рост мощности магнитного поля.

«Внутреннее ядро восстановило магнитное поле Земли: и это произошло в самый подходящий момент в эволюции, — заявил говорит Джон Тардуно, геофизик из Университета Рочестера. — Что бы произошло, если бы оно не сформировалось?»

Ученые до сих пор гадают, как и почему внутреннее ядро появилось именно в этот период. «Внутреннее ядро — это планета внутри планеты, — заявила Хрвое Ткальчич, сейсмолог из Австралийского национального университета (ANU). — У него есть своя собственная топография, своя скорость вращения и структура. Оно находится под нашими ногами, но мы все еще многого не понимаем о его устройстве».

Как изучают нашу внутреннюю «планету»?

Чтобы изучить внутреннее ядро, исследователи используют редкие сейсмические волны от землетрясений или ядерных испытаний, которые проникают во внутреннее ядро или отражаются от него.

Так сейсмологи обнаружили, что внутреннее ядро вращается независимо от остальной части планеты. С помощью компьютерных моделей они предсказали его структуру, а также необычное поведение железных сплавов, находящихся под большим давлением.

Долгое время у человечества были неполные представления о внутреннем устройстве Земли. Только в начале 1930-х годов Инге Леманн, датский сейсмолог, заметила новую разновидность Р-волн или волн давления. Они указывали на то, что ядро Земли не полностью жидкое. К 1936 году Леманн пришла к выводу, что внутри Земли есть твердое внутреннее ядро. Дальше исследователи обратили внимание, что с каждым годом P-волны, проходящие через внутреннее ядро, немного ускоряются. Это можно было объяснить единственным способом — внутреннее ядро вращается быстрее, чем остальная часть планеты, примерно на 1° в год. Каждые 400 лет, как они предположили в статье Nature 1996 года, внутреннее ядро совершало дополнительный оборот внутри Земли.

Это открытие потрясло многих геофизиков, которые предполагали, что внутреннее ядро вращается с той же скоростью, что и мантия. Если изучить его вращение, это поможет понять, как внутреннее ядро соединяется с внешним и влияет на магнитное поле. А также объяснит, почему магнитные полюса Земли время от времени блуждают и переворачиваются.

Так внутреннее ядро движется быстрее Земли, да?

Не совсем. Позднее исследователь Йи Ян собрал самую обширную в мире базу данных о землетрясениях. Проанализировав их, Ян обнаружил, что внутреннее ядро вращается с той же скоростью, что и мантия. Дальше выяснился еще более необычный факт: по данным исследования 2021 года, внутреннее ядро вращалось медленнее, чем остальная часть планеты, примерно на 0,05° в год.

Исследователи начали предполагать, что у внутреннего ядра есть свой ритм. На протяжении десятилетий радиоастрономы отслеживали мельчайшие изменения во вращении Земли. Их наблюдали по космической системе отсчета: отслеживали изменения по положению далеких космических объектов. Большинство колебаний в течение года происходит из-за ураганов и землетрясений, но есть небольшое регулярное шестилетнее колебание, которое нельзя так легко объяснить.

«Пока мы не знаем, из-за чего это происходит, но все делают ставку на ядро», — сказал Бенджамин Чао, геодезист из Academia Sinica.

Из чего состоит внутреннее ядро?

Внутреннее ядро — это самое металлическое место на Земле. В нем даже больше металлов, чем во внешнем. Оба сделаны в основном из железа с примесью никеля. Также считается, что железо содержит следы более легких элементов, таких как кислород, углерод и кремний.

Когда железо кристаллизуется на растущей поверхности внутреннего ядра, оно выбрасывает из себя некоторые из этих элементов. В результате остается почти чистое железо. Это похоже на то, как в ведре с соленой водой образуется лед: он вытесняет соль и становится в основном пресным. Выброшенные из ядра элементы легче железа: они поднимаются и проносятся вперед: этот процесс вызывает до 80% конвекции, которая генерирует магнитное поле Земли.

Конвекция — вид теплообмена и теплопередачи, во время которого внутренняя энергия передается струями и потоками самого вещества.

Что мы еще не знаем о внутреннем ядре?

Что происходит с оставшимся железом — на эту тему ведутся непрекращающиеся споры. Атомы железа на поверхности Земли — например, как в чугунной сковороде, — имеют кубическую структуру. Но если крошечные образцы железа сжать между двумя алмазами и создать давление, похожее на то, что есть во внутреннем ядре, то атомы перестраиваются в шестиугольники.

Сложность заключается в том, что пока никто не знает, что происходит с железом, когда оно одновременно сжимается и нагревается до тысяч градусов, говорит Лидунка Вочадло, специалист по вычислительной физике минералов из Университетского колледжа Лондона.

Эти условия трудно воссоздать в лаборатории, потому что углерод в алмазах часто загрязняет железо при нагревании, отметил Вочадло. Его команда провела компьютерное моделирование и выяснила, что форма шестиугольника или гексагона — это самая стабильная структура в условиях внутреннего ядра. Модели также показывают, что чистое железо становится мягким, когда оно находится на 98% от своей точки плавления.

Например, вода должна остыть ниже точки замерзания для образования льда. Исследователи предположили, что железо не может затвердеть в шестиугольной форме, если оно почти на 1 340 °C холоднее внутреннего ядра. В начале 2022 года было опубликовано моделирование в атомном масштабе, согласно ему железо, накапливающееся во внутреннем ядре, может сначала кристаллизоваться в кубической форме, а потом переходить в шестиугольную.

Как связаны внутреннее ядро и жизнь на Земле?

По информации из вулканического образования, которое появилось 565 млн лет назад на северном берегу реки Св. Река Лоуренса, магнитное поле того времени составляло одну десятую от сегодняшнего.

Вероятно, это произошло из-за того, что внешнее ядро быстро теряло тепло, говорит Питер Дрисколл, геодинамик из Научного института Карнеги. Если бы магнитное поле Земли полностью исчезло, то жизнь, которая только развивалась, подверглась бы сильному воздействию радиации от солнечных вспышек. Повышенная радиация могла привести к истощению кислорода — ценного ресурса для любой жизни.

Всего 30 млн лет спустя интенсивность магнитного поля выросла до 70% от нынешних значений. Примерно в то же время активное развитие жизни произвело на Земле революцию. Именно тогда зародилось большинство групп животных, появились первые наземные виды.

Возможно, зарождающийся мир и все живые существа на планете Земля обязаны своим существованием внутреннему железному ядру, которое находится на 5 000 км ниже, под нашими ногами. Сейчас исследователи пытаются воспроизвести в лаборатории условия, которые есть в ядре: это сложная, но необходимая задача. С помощью такого эксперимента можно подтвердить выводы, которые исследователи сделали ранее на основе математических моделей.