Ядро Землі змінюється: маловідоме явище створює новий шар

Вода з поверхні Землі може знайти свій шлях глибоко вглиб планети, і нове дослідження пояснює, як вона змінює крайню частину металевого рідкого ядра. Ця знахідка може пояснити наявність тонкого шару матеріалу всередині планети, який десятиліттями дивував геологів.

Земна кора складається з тектонічних плит, які перетираються та ковзають одна під одну; протягом мільярдів років ці зони субдукції транспортували воду до нижньої мантії.

Коли ця вода досягає межі ядра та мантії, близько 2900 кілометрів (1800 миль) під поверхнею, вона починає потужну хімічну взаємодію. Команда з Південної Кореї, США та Німеччини показала, що це створює верхній шар ядра, багатий воднем, і посилає кремнезем у нижню мантію.

«Протягом багатьох років вважалося, що обмін матеріалами між ядром Землі та мантією невеликий», — каже матеріалознавець Ден Шім з Університету штату Арізона.

«Проте наші недавні експерименти з високим тиском розкривають іншу історію. Ми виявили, що коли вода досягає межі ядра та мантії, вона реагує з кремнієм в ядрі, утворюючи кремнезем».

Суміш заліза та нікелю зовнішнього ядра відіграє важливу роль у створенні магнітного поля Землі, яке, по суті, захищає життя на планеті від сонячних вітрів і радіації. Тому важливо розуміти, як функціонують нутрощі Землі та як вони еволюціонували з часом.

Кордон земного ядра та мантії змінюється від силікату до металу досить різко, і про хімічні обміни відомо небагато. Кілька десятиліть тому дослідники, реєструючи сейсмічні хвилі через липкі нутрощі Землі, задокументували тонкий шар товщиною трохи більше кількох сотень кілометрів, але досі ніхто не знав, звідки взявся цей передбачуваний шар «E prime».

«Ми припускаємо, що такий хімічний обмін між ядром і мантією протягом гігароків глибокого транспортування води міг сприяти формуванню передбачуваного шару E prime», — пише команда.

Сейсмологи виявили деякі незвичайні особливості, які припускають, що цей змінений шар рідкого металу буде менш щільним і матиме меншу сейсмічну швидкість. Вважається, що ці відмінності в щільності стосуються різних концентрацій легких елементів, таких як водень або кремній.

Але збільшення концентрації одного легкого елемента збільшить швидкість, а щільність знизиться, що ускладнить узгодження сейсмічних спостережень і динамічної стабільності основного шару E. Як можливе пояснення було висунуто збільшення концентрації одного легкого елемента при зменшенні концентрації іншого. Однак вчені не знали про такий процес обміну.

Команда використовувала осередки з алмазним ковадлом, що нагріваються лазером, щоб імітувати умови тиску та температури на межі ядра та мантії. Вони показали, що вода, яка потрапила в ядро ​​Землі, може вступати в хімічну реакцію з матеріалами, які знаходяться там, щоб перетворити зовнішнє ядро ​​на плівку, збагачену воднем, і розсіяти кристали кремнезему, які підіймаються і з’єднуються з мантією.

Шар матеріалу, багатого воднем і бідного кремнієм, який утворюється у верхній частині ядра, мав би меншу щільність і меншу швидкість, що відповідає спостереженням сейсмічних хвиль. Змінена плівка ядра може, своєю чергою, мати значний вплив на глибинний водний цикл, і команда каже, що їхні результати свідчать про більш складний глобальний водний цикл, ніж ми думали.

«Це відкриття разом із нашими попередніми спостереженнями за утворенням алмазів із води, яка реагує з вуглецем у рідині заліза під екстремальним тиском, — говорить Шім, — вказує на набагато більш динамічну взаємодію ядра та мантії, що свідчить про суттєвий обмін матеріалами». Джерело