Jądro Ziemi

Sto lat temu nauka ledwo wiedziała, że ​​Ziemia ma nawet rdzeń. Dzisiaj jesteśmy kuszeni rdzeniem i jego połączeniami z resztą planety. Rzeczywiście, jesteśmy na początku złotej ery badań podstawowych.

W latach 90. XIX wieku wiedzieliśmy, jak Ziemia reaguje na grawitację Słońca i Księżyca, że ​​planeta ma gęsty rdzeń, prawdopodobnie żelazo. W 1906 roku Richard Dixon Oldham odkrył, że fale trzęsienia ziemi przemieszczają się przez centrum Ziemi znacznie wolniej niż przez płaszcz wokół niego - ponieważ centrum jest płynne.

W 1936 roku Inge Lehmann poinformował, że coś odbija fale sejsmiczne z wnętrza rdzenia. Stało się jasne, że rdzeń składa się z grubej skorupy płynnego żelaza - rdzeń zewnętrzny - z mniejszym, solidnym rdzeniem wewnętrznym w środku. Jest solidny, ponieważ na tej głębokości wysokie ciśnienie pokonuje wpływ wysokiej temperatury.

W 2002 r. Miaki Ishii i Adam Dziewonski z Harvard University opublikowali dowody na „najbardziej wewnętrzny rdzeń” o średnicy około 600 kilometrów. W 2008 r. Xiadong Song i Xinlei Sun zaproponowały inny wewnętrzny rdzeń o średnicy około 1200 km. Nie można wiele z tych pomysłów, dopóki inni nie potwierdzą pracy.

Cokolwiek się uczymy, rodzi nowe pytania. Ciekłe żelazo musi być źródłem ziemskiego pola geomagnetycznego - geodynamicznego - ale jak to działa? Dlaczego geodynamo odwraca się, przełącza północ magnetyczna i na południe, w czasie geologicznym? Co dzieje się na szczycie rdzenia, gdzie stopiony metal styka się z kamiennym płaszczem? Odpowiedzi zaczęły pojawiać się w latach 90.

Naszym głównym narzędziem do badań podstawowych były fale trzęsień ziemi, szczególnie te z dużych wydarzeń, takich jak Trzęsienie Sumatry w 2004 r. Dzwoniące „normalne tryby”, które powodują, że planeta pulsuje ruchem, jaki widzisz w dużej bańce mydlanej, są przydatne do badania głębokiej struktury na dużą skalę.

Ale duży problem to jednoznaczność- każdy dany dowód sejsmiczny można interpretować na więcej niż jeden sposób. Fala, która przenika do rdzenia, również co najmniej raz przemierza skorupę, a płaszcz co najmniej dwa razy, więc cecha sejsmogramu może pochodzić z kilku możliwych miejsc. Wiele różnych danych należy sprawdzić krzyżowo.

Bariera niejednoznaczności nieco zanikła, gdy zaczęliśmy symulować głęboką Ziemię w komputerach realistyczne liczby, a gdy odtworzyliśmy wysokie temperatury i ciśnienia w laboratorium z ogniwo kowadła diamentowego. Te narzędzia (i całodniowe badania) pozwalają nam zaglądać przez warstwy Ziemi, aż w końcu możemy kontemplować jądro.

Biorąc pod uwagę, że cała Ziemia składa się średnio z tej samej mieszanki rzeczy, którą widzimy gdzie indziej w Układzie Słonecznym, rdzeń musi być metalem żelaznym wraz z niklem. Ale jest mniej gęsty niż czyste żelazo, więc około 10 procent rdzenia musi być czymś lżejszym.

Pomysły na temat tego, czym jest ten lekki składnik, ewoluowały. Siarka i tlen były od dawna kandydatami, a nawet wodór był brany pod uwagę. Ostatnio wzrosło zainteresowanie krzemem, ponieważ eksperymenty i symulacje pod wysokim ciśnieniem sugerują, że może on rozpuszczać się w stopionym żelazie lepiej, niż nam się wydawało. Może tam jest więcej niż jeden z nich. Zaproponowanie jakiejś konkretnej receptury wymaga wielu pomysłowych argumentów i niepewnych założeń - ale temat nie jest poza wszelkimi przypuszczeniami.

Sejsmolodzy nadal badają wewnętrzny rdzeń. Rdzeń Wschodniej półkuli wydaje się różnić od zachodniej półkuli sposobem ułożenia kryształów żelaza. Problem jest trudny do zaatakowania, ponieważ fale sejsmiczne muszą przejść niemal prosto od trzęsienia ziemi, przez środek Ziemi, do sejsmografu. Zdarzenia i maszyny, które akurat są odpowiednio ustawione, są rzadkie. A efekty są subtelne.

W 1996 roku Xiadong Song i Paul Richards potwierdzili prognozę, że wewnętrzny rdzeń obraca się nieco szybciej niż reszta Ziemi. Siły magnetyczne geodynamiki wydają się być odpowiedzialne.

Nad czas geologiczny, wewnętrzny rdzeń rośnie w miarę stygnięcia całej Ziemi. W górnej części zewnętrznego rdzenia kryształy żelaza zamarzają i wpadają do wnętrza rdzenia. U podstawy zewnętrznego rdzenia żelazo zamarza pod ciśnieniem, zabierając ze sobą znaczną część niklu. Pozostałe płynne żelazo jest lżejsze i unosi się. Te ruchy wznoszące i opadające, oddziaływujące z siłami geomagnetycznymi, mieszają cały rdzeń zewnętrzny z prędkością około 20 kilometrów rocznie.

Planeta Merkury ma również duży żelazny rdzeń i pole magnetyczne, choć znacznie słabszy niż Ziemski. Ostatnie badania wskazują, że rdzeń Merkurego jest bogaty w siarkę i że podobny proces zamrażania go pobudza, z opadaniem „żelaznego śniegu” i podnoszeniem cieczy wzbogaconej w siarkę.

Badania podstawowe wzrosły w 1996 r., Kiedy modele komputerowe Gary'ego Glatzmaiera i Paula Robertsa po raz pierwszy odtworzyły zachowanie geodynamiczne, w tym spontaniczne odwrócenia. Hollywood dało Glatzmaierowi nieoczekiwaną widownię, kiedy wykorzystał swoje animacje w filmie akcji Rdzeń.

Ostatnie prace laboratoryjne wysokociśnieniowe Raymonda Jeanloza, Ho-Kwanga (Davida) Mao i innych dały nam wskazówki na temat granicy rdzenia-płaszcza, w której płynne żelazo oddziałuje ze skałą krzemianową. Eksperymenty pokazują, że materiały na rdzeń i płaszcz ulegają silnym reakcjom chemicznym. Jest to region, w którym wielu uważa, że ​​powstają pióropusze płaszczowe, które tworzą miejsca takie jak łańcuch wysp hawajskich, Yellowstone, Islandia i inne elementy powierzchni. Im więcej dowiadujemy się o rdzeniu, tym bardziej się on zbliża.

PS: Mała, zwarta grupa kluczowych specjalistów należy do grupy SEDI (Badanie Głębokiego Wnętrza Ziemi) i przeczytała jej Dialog Deep Earth biuletyn Informacyjny. I używają Biura Specjalnego dla strony internetowej Rdzenia jako centralnego repozytorium danych geofizycznych i bibliograficznych.