Izgriezums no zemes dzīļu parāda, ka cietais, cietais iekšējais kodols (sarkans) aug lēni, sasaldējot šķidrā dzelzs (oranža) ārējo kodolu. Seismiskie viļņi caur Zemes iekšējo kodolu starp ziemeļu un dienvidu poliem (zilas bultiņas) pārvietojas ātrāk nekā pa ekvatoru (zaļa bulta). Pētnieki secina, ka šī seismiskā viļņa ātruma atšķirība ar virzienu (anizotropija) izriet no vēlamā attīstošo kristālu – sešstūru iepakotu dzelzs-niķeļa sakausējumu, kas paši ir anizotropi, izlīdzināšanas, paralēli Zemes rotācijas asij. Kredīts: Daniela Frosta zīmējums
Modelis, kā Zemes iekšējais kodols sacietē cietā dzelzs sastāvā, liek domāt, ka tam varētu būt tikai 500 miljoni gadu.
Nezināmu iemeslu dēļ Zemes cietais dzelzs iekšējais kodols aug straujāk nekā otra puse, un tas ir bijis kopš tā laika, kad tas sāka sacietēt no kausēta dzelzs pirms vairāk nekā pusmiljarda gadiem, liecina jauns zemestrīču seismologu pētījums. Kalifornijas Universitāte, Bērklija.
Ātrāka izaugsme zem Bandas jūras Indonēzijā neatstāja nesabalansētu kodolu. Gravitācija vienmērīgi izplata jaunu augšanu – dzelzs kristālus, kas veidojas, kad izkusis dzelzs atdziest, lai sfēriskā iekšējā serdeņa rādiuss pieaugtu ar ātrumu 1 milimetrs gadā.
Bet pastiprināta izaugsme vienā pusē liek domāt, ka kaut kas Zemes ārējā kodolā vai apvalkā zem Indonēzijas siltumu no iekšējā kodola noņem ātrāk nekā otrā pusē, zem Brazīlijas. Ātrāka vienas puses atdzišana paātrinātu dzelzs kristalizāciju un iekšējā kodola augšanu tajā pusē.
Tas ietekmē Zemes magnētisko lauku un tā vēsturi, jo konvekcija ārējā kodolā, ko vada siltuma izdalīšanās no iekšējā kodola, šodien ir tas, kas virza dinamo, kas rada magnētisko lauku, kas pasargā mūs no bīstamām saules daļiņām.
Jauns modelis seismologiem Kalifornijas Universitātē Bērklijā liecina, ka Zemes iekšējais kodols straujāk aug austrumu pusē (kreisajā pusē) nekā rietumos. Gravitācija kompensē asimetrisko augšanu, virzot dzelzs kristālus ziemeļu un dienvidu polu virzienā (bultiņas). Tas mēdz izlīdzināt dzelzs kristālu garo asi gar planētas rotācijas asi (pārtraukta līnija), kas izskaidro seismisko viļņu dažādos pārvietošanās laikus caur iekšējo kodolu. Kredīts: Lasplace jūras zīmējums
“Mēs nodrošinām diezgan vaļīgas iekšējā kodola vecuma robežas – no pusmiljarda līdz 1,5 miljardiem gadu -, kas varētu būt noderīgi diskusijā par to, kā magnētiskais lauks tika izveidots pirms cietā iekšējā kodola pastāvēšanas,” viņš teica. Barbara Romanoviča, UC Berkeley Universitātes Zemes un planētu zinātņu katedras profesore un Berkeley seismoloģiskās laboratorijas (BSL) emeritētā direktore. “Mēs zinām, ka magnētiskais lauks jau bija aptuveni pirms 3 miljardiem gadu, tāpēc tajā laikā ārējiem kodoliem konvekciju noteikti bija jāveic citi procesi.”
Iekšējā kodola jaunais vecums, agrīnā Zemes vēsturē, var nozīmēt, ka siltums, kas vāra šķidro kodolu, nāk no gaismas elementiem, kas atdalās no dzelzs, nevis no dzelzs kristalizācijas, ko mēs redzam šodien.
“Debates par iekšējā kodola vecumu ilgst jau ilgu laiku,” sacīja Daniels Frosts, BSL projekta zinātnieka asistents. “Sarežģītība ir šāda: ja iekšējais kodols var pastāvēt tikai 1,5 miljardus gadu, pamatojoties uz to, ko mēs zinām par to, kā tas zaudē siltumu un cik karsts tas kļūst, no kurienes radās agrākais magnētiskais lauks? izkusušo gaismas elementu, kas pēc tam sasalst, radās ”.
sasalšanas dzelzs
Iekšējā kodola asimetriskā izaugsme izskaidro trīs gadu desmitus senu noslēpumu – ka kristalizētais dzelzs kodolā, šķiet, ir izlīdzināts pa Zemes rotācijas asi, vairāk rietumos nekā austrumos, kamēr varētu sagaidīt, ka kristāli ir nejauši.
Pierādījumi šai izlīdzināšanai nāk no seismisko viļņu pārraides laika no zemestrīcēm caur iekšējo kodolu mērījumiem. Seismiskie viļņi virzās ziemeļu-dienvidu rotācijas ass virzienā ātrāk nekā pa ekvatoru – asimetriju, ko ģeologi piedēvē dzelzs – asimetriskiem – kristāliem, kuriem garas asis ir prioritāri izlīdzinātas gar Zemes asi.
Ja kodols ir ciets kristālisks dzelzs, kā dzelzs kristāli ir orientēti priekšroku vienā virzienā?
Mēģinot izskaidrot novērojumus, Frosts un viņa kolēģi Marena Lasplēze no Nantes universitātes Francijā un Braiens Čandlers un Romanovičs no Kalifornijas universitātes Bērklijā izveidoja kristāla augšanas datormodeli iekšējā kodolā, kurā iekļauti ģeodinamiskās izaugsmes modeļi un dzelzs mineralofizika. Pie augsta spiediena un augstas temperatūras.
“Vienkāršākais modelis šķita nedaudz neparasts – ka iekšējais kodols ir asimetrisks,” sacīja Frosts. Rietumu puse izskatās atšķirīgi no austrumu puses līdz centram, un ne tikai iekšējā kodola augšpusē, kā daži ieteica. Vienīgais veids, kā mēs to varam izskaidrot, ir tas, ka viena puse aug ātrāk nekā otra. ”
Modelis apraksta, kā asimetriskā izaugsme – aptuveni par 60% lielāka austrumos nekā rietumos – var galvenokārt orientēt dzelzs kristālus gar griešanās asi, ar lielāku izlīdzinājumu rietumos nekā austrumos, un izskaidro seismisko viļņu ātruma atšķirību pāri iekšējais kodols.
“Tas, ko mēs piedāvājam šajā rakstā, ir cietās konvekcijas nesabalansēts modelis iekšējā kodolā, kas saskaņo seismiskos novērojumus ar ticamiem ģeodinamiskiem robežnosacījumiem,” sacīja Romanovičs.
Frosts, Romanovičs un viņu kolēģi par saviem atklājumiem ziņos šīs nedēļas žurnāla numurā dabaszinātnes.
Zemes interjers ar seismiskiem viļņiem
Dziļums ir veidots no tādiem slāņiem kā sīpols. Cieto dzelzs-niķeļa iekšējo kodolu – šodienas rādiuss ir 1200 kilometri (745 jūdzes) jeb apmēram trīs ceturtdaļas Mēness lieluma – ieskauj šķidra kausēta dzelzs-niķeļa ārējā serde, kuras biezums ir aptuveni 2400 kilometri (1500 jūdzes). Ārējo serdi ieskauj karsto iežu sega, kuras biezums ir 2900 kilometri (1800 jūdzes), un tās virspusē klāj plāna, vēsa akmens garoza.
Konvekcija notiek gan ārējā kodolā, kas lēnām vārās, kad kristalizētā dzelzs siltums izplūst no iekšējā kodola, gan apvalkā, kur karstāki ieži virzās uz augšu, lai šo siltumu nogādātu no planētas centra uz virsmu. Šķidrā dzelzs ārējā kodola spēcīgā viršanas kustība rada Zemes magnētisko lauku.
Saskaņā ar Frosta datora modeli, kuru viņš izstrādāja ar Lasbleisa palīdzību, augot dzelzs kristāliem, gravitācija pārdala austrumu-rietumu aizaugšanu iekšējā kodola iekšienē. Šī kristālu kustība iekšējā kodola diezgan mīkstajā cietajā daļā – kas pie šiem augstajiem spiedieniem ir tuvu dzelzs kušanas temperatūrai – izlīdzina kristāla režģi gar Zemes rotācijas asi lielākā mērā rietumos nekā austrumos.
Modelis pareizi paredz pētnieku jaunos novērojumus par seismisko viļņu laikiem, kas virzās caur iekšējo kodolu: anizotropija jeb kustības laika starpība paralēli un perpendikulāri griešanās asij palielinās līdz ar dziļumu, un to kompensē spēcīgāka dispersija uz rietumiem Zemes. Rotācijas ass ir aptuveni 400 kilometri (250 jūdzes).
Iekšējā kodola augšanas modelis arī nosaka robežas niķeļa un dzelzs attiecībai Zemes centrā, sacīja Frost. Viņa modelis precīzi nepārveido seismiskos novērojumus, ja vien niķelis nesatur 4–8% no iekšējā kodola – aptuveni tāds pats procents, kāds ir metāliskajos meteorītos, kuri kādreiz tika uzskatīti par mūsu Saules sistēmas rūķu planētu kodoliem. Modelis arī stāsta ģeologiem, cik viskozs ir iekšējais kodols vai šķidrums.
“Mēs iesakām, ka iekšējā kodola viskozitāte ir salīdzinoši liela, kas ir ievades parametrs, kas interesē ģeodinamikus, kuri pēta dinamo procesus ārējā kodolā,” sacīja Romanovičs.
Atsauce: “Seismisko variāciju ierobežotā iekšējā kodola dinamiska vēsture”, autori Daniels A. Frosts, Marina Laspaura, Braiens Čendlers un Barbara Romanoviča, 2021. gada 3. jūnijs, pieejama šeit. dabaszinātnes.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00761-w
Frost un Romanowicz atbalstīja Nacionālā zinātnes fonda dotācijas (EAR-1135452, EAR-1829283).
