Ядро Земли может быть гораздо холоднее, чем считали ученые

Фото из открытых источников

Согласно новой методике измерения температуры расплавленного железа под экстремальным давлением, температура ядра Земли может быть на целых 1000 °C ниже, чем считалось ранее. Результаты, представленные на конференции Гольдшмидта могут помочь разрешить давнюю загадку о том, как магнитное поле Земли существовало миллиарды лет до того, как сформировалось твердое внутреннее ядро, обеспечивающее его энергией сегодня.

«Похоже, это довольно элегантное новое решение проблемы», — говорит Берни Вуд из Оксфордского университета, не принимавший участия в этой работе. Однако он ожидает, что результаты вызовут дискуссию среди исследователей, которые после десятилетий попыток воссоздать условия в центре Земли в целом пришли к выводу о более высоких температурах.

«Эти температуры намного ниже, чем результаты, полученные другими исследователями», — говорит Майкл Уолтер из Института науки Карнеги, возглавлявший это исследование. «Подозреваю, что меня придется убедить».

Ядро Земли, размером с Марс, состоит в основном из железа, с расплавленным внешним ядром, окружающим твердое внутреннее ядро размером с Луну. Магнитное поле планеты генерируется за счет перемешивания расплавленного железа во внешнем ядре и существует по меньшей мере 4 миллиарда лет. Сегодня этот динамо-механизм поддерживается главным образом медленным замерзанием внутреннего ядра, которое выделяет тепло и плавучие легкие элементы в жидкий металл над ним. Но некоторые модели истории охлаждения Земли предполагают, что внутреннее ядро начало формироваться чуть более полумиллиарда лет назад, что порождает так называемый «парадокс нового ядра»: что поддерживало работу динамо-механизма в течение 3,5 миллиардов лет до появления внутреннего ядра?

Ответ зависит от условий в глубине планеты. Поскольку внутреннее ядро твердое, оно не должно быть достаточно горячим, чтобы расплавиться при тех огромных давлениях, которые оно испытывает. В результате определение температуры плавления железа при давлении, подобном давлению в ядре, дает одну из наилучших оценок температуры ядра. По многим оценкам, эта температура составляет более 6000 кельвинов.

Уолтер и его коллеги потратили более 5 лет на разработку нового метода измерения. Как и в предыдущих экспериментах, они сжимали крошечные образцы железа между кончиками алмазных наковален под давлением почти в 2 миллиона атмосфер, что эквивалентно давлению во внешнем ядре Земли. Но вместо нагревания железа лазером они применяли электрические импульсы с интервалом в микросекунды, что обеспечивало лучший контроль. И вместо поиска признаков плавления в самом железе, они искали ключевую паузу в изменении температуры, которая возникает, когда дополнительная энергия идет на плавление железа, а не на повышение его температуры.

Как выяснила команда исследователей, при давлении на границе внутреннего ядра чистое железо должно плавиться при температуре от 4420 до 5220 кельвинов, что более чем на 1000 °C ниже предыдущих оценок. Большая часть этой неопределенности возникает из-за экстраполяции измерений, проведенных при давлении во внешнем ядре, на измерения на границе внутреннего ядра, говорит Уолтер. После корректировки с учетом более легких элементов, примесившихся в ядре Земли, расчетная температура снижается еще больше, до центральной оценки в 4284 кельвина.

Затем исследователи подставили эти более низкие температуры плавления, а также свою оценку того, как железо проводит тепло под таким давлением, в модели термической эволюции Земли. Они обнаружили, что одного лишь охлаждения ядра было достаточно для работы магнитного динамо на протяжении большей части истории Земли, пока внутреннее ядро не начало замерзать почти полмиллиарда лет назад, говорит Уолтер. «Наши данные позволяют предположить, что геодинамо может быть обусловлено термическими процессами».

Более низкие температуры имеют еще одно следствие: граница между ядром и мантией Земли также холоднее, чем считалось ранее. Это затруднит плавление горных пород в этой области, потенциально подрывая теории о том, что скопления гигантских сгустков, расположенных над ядром (выявленные по необычно медленному прохождению сейсмических волн через глубокие слои Земли), состоят из расплавленной породы, говорит Уолтер.

Дарио Альфе из Университетского колледжа Лондона, чья работа помогла установить более высокие температуры ядра Земли, говорит, что новые измерения будут представлять собой «возвращение в прошлое», возобновляя дискуссию, которую многие исследователи считали в значительной степени завершенной. Но он остается неубежденным. «Трудно сказать, верно это или нет, особенно без надлежащей проверки методов», — говорит он. «Честно говоря, я посвятил этому достаточно своей карьеры, чтобы захотеть возобновить эту дискуссию».