Таинственная структура обнаружена глубоко в ядре Земли

Благодаря инновационному подходу к изучению этих сейсмических волн профессор Ткалчич и его коллега Сяолун Ма сделали новаторское открытие: в ядре существует большая область в форме пончика, опоясывающая экватор. В этой области толщиной в несколько сотен километров сейсмические волны распространяются примерно на 2 % медленнее, чем в других частях ядра.

Специалисты предполагают, что эта область содержит более высокую концентрацию легких элементов, таких как кремний и кислород, которые могут играть важную роль в конвекционных течениях жидкого металла внутри ядра. Эти токи необходимы для создания магнитного поля Земли. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Кода-корреляционное волновое поле

Традиционные исследования сейсмических волн от землетрясений обычно сосредоточены на первичных волновых фронтах, которые распространяются по земному шару в течение первого часа после землетрясения. Однако профессор Ткалчич и его команда поняли, что могут получить новые сведения, изучив более позднюю, слабую часть этих волн, известную как кода. Эта часть волны напоминает завершение музыкального произведения, подводящее сейсмическое событие к концу.

Используя математическую концепцию, называемую корреляцией, команда исследователей измерила сходство этих кодовых волн, зарегистрированных на разных сейсмических станциях. Это сходство, наблюдаемое на поздних стадиях землетрясений, называется “волновым полем коды-корреляции”.

Анализируя кодокорреляционное волновое поле, исследователи обнаружили слабые сигналы, возникающие в результате многочисленных реверберирующих волн, которые в противном случае остались бы незамеченными. Проследив пути этих волн и совместив их с сигналами в кодокорреляционном волновом поле, они смогли определить продолжительность прохождения этих волн через планету.

Дальнейшее сравнение сейсмических данных с детекторов, расположенных вблизи полюсов, с данными, полученными ближе к экватору, показало, что волны вблизи полюсов распространяются быстрее, чем вблизи экватора. Для определения условий в ядре, которые могли бы привести к таким результатам, были проведены многочисленные компьютерные модели и симуляции. В итоге команда пришла к выводу, что во внешнем ядре в районе экватора существует тор, или область в форме пончика, где скорость волн снижена.

Ранее эта область не была обнаружена сейсмологами. Однако использование кодокорреляционного волнового поля позволило получить более детальное и полное представление о внешнем ядре.

Внешнее ядро и геодинамо

Внешнее ядро Земли, радиус которого составляет около 3 480 километров, немного больше планеты Марс. Оно состоит в основном из железа и никеля, а также содержит более легкие элементы, такие как кремний, кислород, сера, водород и углерод.

Температурный градиент внешнего ядра – внизу горячее, чем вверху – приводит в движение жидкий металл, подобно кипящей в кастрюле воде. Считается, что этот процесс, известный как тепловая конвекция, приводит к тому, что материал внутри внешнего ядра хорошо перемешан и однороден.

Однако обнаружение области в форме пончика, где сейсмические волны замедляются, предполагает другой сценарий. Присутствие более высокой концентрации легких элементов в этой области может объяснить наблюдаемое поведение волн. Возможно, эти элементы высвобождаются из твердого внутреннего ядра во внешнее, где их плавучесть усиливает конвекцию.

Но почему эти легкие элементы больше накапливаются в экваториальной области? Одно из возможных объяснений заключается в том, что в этой области больше тепла передается от внешнего ядра к расположенной над ним каменистой мантии.

Кроме того, во внешнем ядре происходит еще один масштабный процесс. Вращение Земли и наличие небольшого твердого внутреннего ядра заставляют жидкий металл во внешнем ядре организовываться в длинные вертикальные вихри, идущие с севера на юг, похожие на гигантские водовороты.

Турбулентное движение жидкого металла внутри этих вихрей генерирует “геодинамо”, которое отвечает за создание и поддержание магнитного поля Земли. Это магнитное поле имеет решающее значение для защиты планеты от вредного солнечного ветра и радиации, что позволяет жизни процветать на поверхности.

Более детальное понимание состава внешнего ядра, включая недавно обнаруженную область в форме пончика, состоящую из легких элементов, позволит нам лучше понять магнитное поле Земли. Такое понимание крайне важно для прогнозирования изменений интенсивности и направления поля с течением времени, которые являются критическими факторами для жизни на Земле и потенциальной обитаемости других планет и экзопланет.

Исследование нового региона в ядре Земли открывает перспективы для будущих исследований и теоретических моделей. Понимание распределения легких элементов в экваториальной области может привести к улучшению знаний о конвекции в внешнем ядре и ее влиянии на геодинамо. Эта информация также может быть полезна для создания более точных математических моделей, которые помогут предсказать, как изменения в структуре ядра влияют на магнитное поле в долгосрочной перспективе.

Углубление в динамику жидкого металла, а также корреляции между составом и движением, может также привести к новому пониманию процессов, которые могли бы влиять на сейсмическую активность и природные катастрофы на поверхности. Знание о скрытых слоях собственного ядра поможет учёным раскрыть вопросы, касающиеся глобального климата и его изменений на протяжении миллионов лет.

Более того, результаты исследования могут служить основой для междисциплинарных исследований, объединяющих геофизику, планетарную науку и астрофизику, предоставляя новые алгоритмы для изучения других планет и небесных тел, где аналогичные магнетосферы и внутренние структуры могут влиять на их обитаемость.