Новое исследование проливает свет на самые ранние дни формирования Земли

Новое исследование под руководством профессора Йоркского университета проливает свет на самые ранние дни формирования Земли и потенциально ставит под сомнение некоторые более ранние предположения в планетарной науке о ранних годах существования каменистых планет. Устанавливая прямую связь между внутренней динамикой Земли, происходящей в течение первых 100 миллионов лет ее истории, и ее современной структурой, работа является одной из первых в этой области, объединяющей механику жидкости с химией для лучшего понимания ранней эволюции Земли. Исследование опубликовано в журнале Nature.

«Это исследование впервые продемонстрировало с помощью физической модели , что основные черты структуры нижней мантии Земли сформировались четыре миллиарда лет назад, вскоре после возникновения планеты», — говорит ведущий автор исследования Шарль-Эдуард Букаре из Йоркского университета.

Мантия — это каменистая оболочка, окружающая железное ядро каменистых планет. Структура и динамика нижней мантии Земли играют важную роль на протяжении всей истории Земли, поскольку она определяет, среди прочего, охлаждение ядра Земли, где генерируется магнитное поле Земли.

Букаре говорит, что хотя сейсмология, геодинамика и петрология помогли ответить на многие вопросы о современной термохимической структуре недр Земли, ключевой вопрос остался: насколько стары эти структуры и как они образовались? По его словам, попытка ответить на этот вопрос во многом похожа на то, чтобы рассматривать человека в форме взрослого человека по сравнению с ребенком и понимать, что их энергетические состояния не будут одинаковыми.

«Если взять детей, то иногда они делают сумасшедшие вещи, потому что у них много энергии, как планеты, когда они молоды. Когда мы становимся старше, мы не делаем столько сумасшедших вещей, потому что наша активность или уровень энергии снижаются. Так что динамика действительно отличается, но есть некоторые вещи, которые мы делаем, когда мы очень молоды, которые могут повлиять на всю нашу жизнь», — говорит он. «То же самое и с планетами. Есть некоторые аспекты очень ранней эволюции планет, которые мы можем увидеть в их структуре сегодня».

Чтобы лучше понять старые планеты, мы должны сначала узнать, как ведут себя молодые планеты.

Поскольку моделирование мантии Земли в основном сосредоточено на современных условиях твердого тела, Букаре пришлось разработать новую модель для изучения ранних дней Земли, когда мантия была намного горячее и в значительной степени расплавленной. Этой работой он занимается с момента получения докторской степени.

Модель Букаре основана на подходе многофазного потока, который позволяет фиксировать динамику затвердевания магмы в планетарном масштабе. Используя свою модель, он изучил, как ранняя мантия перешла из расплавленного в твердое состояние. Он и его команда были удивлены, обнаружив, что большинство кристаллов образовалось при низком давлении, что, по его словам, создает совершенно иную химическую сигнатуру, чем та, которая образовалась бы на глубине в среде с высоким давлением. Это бросает вызов преобладающим предположениям в планетарных науках о том, как затвердевают каменистые планеты.

«До сих пор мы предполагали, что геохимия нижней мантии, вероятно, управляется химическими реакциями высокого давления, а теперь, похоже, нам необходимо также учитывать их аналоги при низком давлении», - говорит он. 

Букаре говорит, что эта работа также может помочь предсказать поведение других планет в будущем.

«Если мы знаем некие начальные условия и основные процессы планетарной эволюции, мы можем предсказать, как будут развиваться планеты», - резюмировал Букаре.