Ядро Земли постоянно переваривает само себя

Ряд исследований последних лет показал аномальные свойства земного ядра, заставив геофизиков усомниться в верности устоявшихся о нём представлений. Объяснить загадки центральной части планеты попробовала группа учёных из Франции. Но для этого ей пришлось объявить: внутреннее ядро — структура намного более динамичная, нежели кто-либо мог предположить.

Ядро Земли разделено на две части — жидкую внешнюю и твёрдую внутреннюю. Обе содержат преимущественно железо, с добавкой никеля, кремния и небольшого количества иных элементов.

О характеристиках обоих частей можно судить по прохождению через них сейсмических колебаний от крупных землетрясений. Именно так было установлено, что волны, пересекающие восточную часть ядра, бегут быстрее, чем на западной его стороне, что выглядит, по меньшей мере, странным.

Наличие твёрдого ядра Земли было надёжно подтверждено пять лет назад. Пару лет назад учёные обосновали любопытное предположение о типе кристаллической структуры внутреннего ядра и оценили температуру его в древности, а значит и темп остывания, скорость кристаллизации и наращивания его диаметра и массы (иллюстрация с сайта scienceahead.com).

Кроме того, на границе двух частей ядра обнаружился 250-километровый слой жидкости повышенной плотности. Вместе с тем, если постоянно растущее твёрдое ядро забирает из расплава тяжёлые элементы, остаток в прилегающих слоях должен содержать больше элементов лёгких, нежели другие уровни жидкого ядра, стало быть, оказаться менее плотным.

Так возникает противоречие, требующее объяснения. Ведь классические модели предполагают, что внутреннее ядро нашей планеты – образование симметричное, однородное и практически стабильное, разве что медленно растущее за счёт застывания вещества внешнего ядра.

Состыковать все наблюдения в цельную картину помогло нынешнее предположение, выдвинутое группой исследователей из университетов Жозефа Фурье (Universit? Joseph Fourier) и Лиона (Universit? de Lyon). Она утверждает, что внутреннее ядро Земли постоянно кристаллизуется на западе и плавится на востоке.

Геометрический центр внутреннего ядра O немного сдвинут относительно центра Земли C на величину ?, которая была бы равна нулю, если бы строение ядра было более равномерным, а само ядро – симметричным. Сдвиг приводит к тому, что части ядра на западе и востоке обладают немного разной температурой (градиент серого на рисунке).
А это, в свою очередь, ведёт к односторонним плавлению и кристаллизации, и приводит в движение всю массу ядра со скоростью V. Пунктир – идеальное положение внутреннего ядра в отсутствие градиентов плотности и температуры (иллюстрация Thierry Alboussi?re et al./Nature).

Вся масса внутреннего ядра медленно смещается от западной стороны к восточной, где разрушающееся твёрдое вещество пополняет состав жидкой оболочки. На западе, соответственно, дело обстоит обратным образом.

Всё это напоминает бесконечную бегущую дорожку, движущуюся со скоростью 1,5 сантиметра в год. С таким темпом внутреннее ядро перерабатывает себя полностью за 100 миллионов лет, — говорят учёные.

Удивительный механизм постоянного обновления ядра объясняет и плотную жидкую прослойку на границе двух ядер, ведь она рождается из более плотного материала самой сердцевины планеты.

Авторы новой гипотезы провели серию экспериментов с прозрачным баком, наполненным водным солевым раствором, в который с двух сторон подавался тоже солевой раствор, но большей и меньшей концентрации, смешанный с красителем.
Анализ градиентов концентрации (цветные рисунки, проценты на метр) по горизонтали и вертикали, вместе с образованием ровного слоя повышенной плотности, убедил учёных, что аналогичным образом вокруг внутреннего ядра планеты может образовываться выделенный слой жидкости, обогащённой тяжёлыми элементами (иллюстрация Thierry Alboussi?re et al./Nature).

Ну а разница в соотношении лёгких и тяжёлых элементов на западе и востоке ядра закономерно приводит и к разнице скоростей сейсмических волн, которую учёные и наблюдают. (Все детали работы французы изложили в Nature.)

Современная наука гласит: когда-то всё ядро планеты было жидким. Возраст внутреннего твёрдого ядра оценивается в 2-4 миллиарда лет, в то время как самой Земле — 4,54 миллиарда лет.

Ранее учёные предполагали, что процесс застывания и роста самой сердцевины нашего мира шёл, да и сейчас идёт практически симметрично. Новая же версия показывает: что-то давным-давно нарушило эту симметрию.

Сдвиг внутреннего ядра помещает две его противоположные половинки выше и ниже адиабаты, то есть линии, отмечающей сбалансированную "энергетическую границу" между слоями. Соответственно, одно полушарие твёрдого ядра оказывается в зоне плавления, второе – в зоне кристаллизации.
При рассмотрении температур этих процессов следует также учитывать, что на разных глубинах и давление отличается. T – температура. На шкале r показано отклонение положения восточной и западной поверхностей ядра относительно геометрически правильной сферы (иллюстрация Thierry Alboussi?re et al./Nature).

Скорость омоложения твёрдого ядра, утверждают французы, в 10-100 раз превышает скорость роста его диаметра, а это значит, что с кристаллизующегося бока оно должно усваивать железо из окружающей жидкости быстрее, чем теряет этот элемент с противоположной стороны.

Столь мощные процессы затвердевания и плавления, очевидно, не могут не сказаться на конвективных потоках в ядре внешнем. А значит, они затрагивают и планетарную динамо-машину, и земное магнитном поле, и поведение мантии, и движение материков.

Не тут ли кроется разгадка несовпадения скорости вращения ядра и остальной планеты и путь к объяснению ускоряющегося сдвига магнитных полюсов?

Питер Ольсон (Peter Olson) из университета Джона Хопкинса (Johns Hopkins University), не принимавший участия в новом исследовании, отмечает, что предложенная модель ядра гораздо проще объясняет его загадки, нежели прежние гипотезы.

Последние, к примеру, выстраивают обратную цепочку воздействия: от неравномерностей в движении вещества мантии к неравномерностям в потоках внешнего ядра и через них — к аномалиям в распределении вещества в ядре внутреннем. Впрочем, оба варианта вовсе не исключают друг друга, а вполне могут оказаться дополняющими.