Глубоко под поверхностью Земли находится область, недоступная для прямых наблюдений — внутреннее ядро планеты. На протяжении десятилетий геофизики считали его практически идеальной твердой сферой из железа и никеля. Однако новые исследования показывают, что эта часть планеты может быть значительно более динамичной. Анализ сейсмических данных указывает на то, что поверхность внутреннего ядра постепенно изменяется и способна деформироваться под воздействием процессов, происходящих в окружающем жидком внешнем ядре.
Эти результаты меняют представления о глубинной структуре Земли и могут помочь лучше понять происхождение магнитного поля планеты, а также процессы, происходящие в ее недрах.
Строение Земли: четыре основных слоя
Современная геофизика описывает внутреннюю структуру Земли как систему из нескольких слоев.
- Кора — тонкий внешний слой, на котором расположены континенты и океаны.
- Мантия — слой горячих силикатных пород толщиной около 2900 километров, в котором медленно циркулируют потоки вещества.
- Внешнее ядро — слой жидкого железа и никеля. Его движение создает магнитное поле Земли.
- Внутреннее ядро — центральная часть планеты, состоящая преимущественно из железа.
Внутреннее ядро находится на глубине около 4800 километров от поверхности. Температура в этой области может превышать 5000 °C, однако колоссальное давление удерживает вещество в твердом состоянии.
Несмотря на такие экстремальные условия, ученые считают, что внутреннее ядро не является полностью неподвижной и неизменной структурой.
Как ученые изучают центр планеты
Пробурить скважину до ядра Земли невозможно. Поэтому основным инструментом исследования служит сейсмология — анализ распространения волн от землетрясений.
Когда происходит землетрясение, упругие волны проходят через всю планету. Их скорость и форма изменяются в зависимости от свойств пород, через которые они проходят. Изучая эти изменения, ученые могут делать выводы о структуре глубинных слоев Земли.
Особенно ценными считаются повторяющиеся землетрясения, происходящие в одном и том же районе. Они создают почти идентичные сейсмические сигналы, что позволяет сравнивать их спустя годы и выявлять даже очень небольшие изменения внутри планеты.
Именно такой метод позволил обнаружить неожиданные изменения во внутреннем ядре.
Анализ десятилетий сейсмических данных
В новом исследовании ученые изучили сейсмические записи землетрясений, произошедших в районе Южных Сандвичевых островов в Антарктике.
В анализ были включены данные 128 землетрясений, зарегистрированных в период с 1991 по 2024 год. Эти события образовали 168 пар почти идентичных сейсмических сигналов, что позволило точно сравнить изменения волн во времени.
При изучении этих записей исследователи обнаружили, что часть сигналов со временем изменилась. Причем изменения были зафиксированы только на тех путях распространения волн, которые проходили через внешнюю область внутреннего ядра.
Это указало на то, что происходят реальные структурные изменения на границе внутреннего ядра.
Внутреннее ядро может менять форму
Полученные данные показали, что поверхность внутреннего ядра может постепенно деформироваться.
Исследователи предполагают, что в этой зоне происходит вязкая деформация — процесс, при котором твердый материал медленно изменяет форму под действием давления.
Такое поведение объясняется экстремальными условиями внутри Земли:
- температура близка к температуре плавления железа;
- давление достигает сотен гигапаскалей;
- вокруг внутреннего ядра находится жидкий слой металла.
В этих условиях даже твердый материал может постепенно «течь» или изменять форму.
По оценкам ученых, в некоторых областях границы ядра деформации могут достигать более 100 метров.
Роль жидкого внешнего ядра
Главной причиной обнаруженных изменений может быть взаимодействие между внутренним и внешним ядром.
Внешнее ядро представляет собой слой расплавленного железа и никеля. Его вещество постоянно находится в движении из-за тепловой конвекции. Эти потоки металла создают электрические токи, которые формируют магнитное поле Земли.
Новое исследование показывает, что турбулентные потоки внешнего ядра могут воздействовать на границу внутреннего ядра, вызывая ее деформацию.
Ранее считалось, что подобные процессы происходят только в масштабах миллионов лет. Теперь выясняется, что изменения могут происходить и на временных масштабах, сравнимых с человеческой жизнью.
Связь с вращением ядра
Исследования внутреннего ядра также связаны с вопросом о его вращении.
Сейсмологические наблюдения показали, что внутреннее ядро может вращаться с немного другой скоростью, чем остальная часть планеты.
В некоторых исследованиях предполагается, что в разные периоды ядро может ускоряться или замедляться относительно мантии и поверхности Земли.
Однако новые данные показывают, что изменения формы внутреннего ядра могут искажать сейсмические сигналы и создавать иллюзию изменения скорости вращения.
Поэтому ученым приходится учитывать оба фактора — и вращение, и деформацию структуры.
Что это означает для науки
Понимание процессов, происходящих в ядре Земли, имеет большое значение для геофизики.
Во-первых, именно движение металла во внешнем ядре создает магнитное поле Земли, которое защищает планету от солнечной радиации.
Во-вторых, взаимодействие внутреннего и внешнего ядра влияет на распределение тепла внутри планеты и на динамику мантии.
Кроме того, изменения в ядре могут быть связаны с:
- колебаниями магнитного поля;
- изменениями продолжительности суток;
- долгосрочной эволюцией планеты.
Пока ученые только начинают понимать масштабы этих процессов.
Почему исследования продолжаются
Несмотря на огромный прогресс в сейсмологии, центр Земли остается одной из самых загадочных областей планеты.
Сейсмические данные позволяют лишь косвенно наблюдать происходящие там процессы, поэтому каждое новое исследование может существенно изменить существующие модели.
Новые результаты показывают, что внутреннее ядро Земли — не полностью неподвижная структура, а динамическая область, которая может постепенно менять форму под воздействием процессов во внешнем ядре.
Дальнейшие исследования помогут уточнить, насколько быстро происходят эти изменения и какую роль они играют в эволюции нашей планеты.
Источники:
Статья создана по материалам earth.com
Очень интересно! Как именно сейсмологи определили изменения формы внутреннего ядра и какие последствия это может иметь для геофизики Земли?