Когда ядро Земли начало остывать: древняя загадка

Исследователи провели эксперимент в попытках воссоздать процесс остывания железного ядра нашей планеты — и наткнулись на загадочную аномалию.

В какой-то момент 4,5-миллиардной истории Земли ее полностью жидкое железное ядро ​​охладилось настолько, что в центре образовался твердый шар. Сегодня ядро ​​нашей планеты состоит из твердого внутреннего ядра из железа, окруженного внешним ядром тоже из железа, но расплавленного. Однако точно определить, когда произошло это изменение, оказалось довольно сложно.

Оценки варьируются от 4,5 миллиарда лет назад — возраста самой Земли — до 565 миллионов лет назад; и лишь недавно новое исследование наконец сузило круг поисков. Согласно данным, полученным в лабораторных экспериментах, возраст внутреннего ядра должен быть где-то между 1 миллиардом и 1,3 миллиардами лет.

В свою очередь, это помогает нам сузить возраст геодинамо, которое питает магнитное поле вокруг Земли. Это магнитное поле способствует созданию условий, благоприятных для жизни в том виде, в котором мы его знаем, защищая атмосферу планеты от палящего солнечного ветра. Неудивительно, что людям так интересно понять принцип его работы и истоки — это может пригодиться будущим колонистам далеких миров.

Геодинамо создается за счет циркуляции проводящего железа во внешнем ядре и конвекции, которая приводится в действие двумя механизмами.

Во-первых, это тепловая конвекция, вызванная колебаниями температуры; она может происходить в полностью жидком ядре. Во‑вторых, существует композиционная конвекция, при которой более легкие элементы, высвобождаемые на внутренней границе ядра, поднимаются через жидкое внешнее ядро, создавая движение.

В обоих случаях проводящий жидкий металл создает электрические токи, которые заряжают сердечник, по сути превращая его в гигантский электромагнит. И вуаля! У нас получилось магнитное поле. В настоящее время в ядре Земли присутствуют оба типа конвекции, в равной степени способствующие геодинамо.

Но до кристаллизации твердого ядра в ядре Земли была возможна только тепловая конвекция. Она тоже способна генерировать геодинамо, но для того, чтобы поддерживать его в течение миллиардов лет, железо должно быть очень горячим — что нереально.

Чтобы поддерживать такие температуры, теплопроводность железа (способность эффективно проводить тепло) должна быть крайне высокой. Команда физиков решила изучить теплопроводность железа под давлением и при температурах, приближающихся к значениям в активной зоне ядра.

Для этого они взяли образец железа, облучили его лазером, чтобы нагреть, и зажали на алмазной наковальне. На это ушло гораздо больше времени, чем может показаться: попытки заняли целых два года. В конце концов, однако, команде удалось измерить электрическую и тепловую проводимость образца при давлении 170 гигапаскалей (что в 170 миллионов раз выше атмосферного давления на уровне моря) и температуре около 3000 градусов Цельсия.

Давление во внешнем ядре колеблется от 135 до 330 гигапаскалей от внешней границы до границы внутреннего ядра, а температуры колеблются от 4000 до 5000 градусов Цельсия. Считается, что внутреннее ядро ​​достигает температуры выше 6000 С (но железо затвердевает под сильным давлением).

Когда команда измерила проводимость в образце, то обнаружила, что она на 30−50 процентов ниже, чем требуется для оценки возраста внутреннего ядра в 565 миллионов лет. Следовательно, ученые теперь могут установить верхний предел теплопроводности жидкого железа в условиях ядра, что, в свою очередь, устанавливает верхний предел того, сколько тепла оно может провести и удержать.

Все эти данные наконец позволили оценить возраст внутреннего ядра Земли. Интересно, что график, построенный учеными, точно соответствует динамике изменения магнитного поля Земли. Расположение магнитных материалов в породах, датируемых 1−1,5 миллиардами лет назад, показывает, что примерно в это время и произошло увеличение напряженности магнитного поля — как и следовало ожидать в то время, когда кристаллизовалось внутреннее ядро.

Однако подобное увеличение наблюдалось и 565 миллионов лет назад. Если внутреннее ядро ​​кристаллизовалось раньше, это означает, что сотни миллионов лет назад на нашей планете произошло какое-то загадочное явление, повлиявшее на железо внутри Земли. «Чтобы разрешить это несоответствие, необходимы дальнейшие исследования физики минералов, геодинамики и палеомагнетизма», — признают сами исследователи.