Геологи построили изображение внутреннего ядра Земли

Внутреннее ядро Земли, обработанное сейсмическими волнами PKIKP для двух разных регионов. Выборка траектории лучей PKIKP для внутреннего ядра, используемая в данном исследовании, показана для (A) Северной и Южной Америки в квазизападном и (B) Австралазии в квазивосточном полушарии. Слева — прозрачные земные недра, справа — увеличенное внутреннее ядро (красное). Красные точки — землетрясения, зеленые — сейсмоприемники. Лучи аппроксимируют траектории волн PKIKP, и их цвет пропорционален остаточному времени хода PKiKP-PKIKP относительно среднего значения / © Scientific Reports, Hrvoje Tkalčić et al.

Международная группа геофизиков изучила облик внутреннего ядра Земли, чтобы выяснить, какой у него тип тепловой конвекции. В ходе исследования ученые обнаружили самые горячие и самые холодные точки в центре планеты.

Современное представление о ядре Земли как о неоднородном объекте, состоящем из внутреннего (твердого) и внешнего (расплавленного) слоев, сформулировал в 1936 году датский физик Инге Леманн. Со временем методы исследования внутренностей нашей планеты совершенствовались — и понимание его устройства расширялось. В частности, внутреннее ядро Земли играет пассивную, но важную роль в перемешивании внешнего и, как следствие, поддержании постоянства магнитного поля.

Однако, по объективным причинам: внутреннее ядро находится на глубине более пяти тысяч километров, человечество знает про центр Земли далеко не все. Например, температура плавления железа, основного компонента внутреннего ядра, при том давлении, что существует на такой глубине, варьирует от 5000 Кельвин (4726,85 °C) до 7000 Кельвин (6726,85 °C) в зависимости от примесей и условий. Также неопределенной остается и теплопроводность сердцевины.

Группа геофизиков из Австралии, Китая и Европы решила узнать, какой тип термоконвекции присущ внутреннему ядру Земли. Для этого специалисты собрали данные о времени и длине пробега волн PKIKP и PKiKP (они проходят сквозь центр планеты, только первые проникают под границу внутреннего ядра и возникают на сейсмограммах раньше, а вторые отражаются от нее и возникают позже). Высчитав разницу между временем двух волн (всего их 5477), ученые построили трехмерную модель верхнего слоя внутреннего ядра Земли с его температурными отпечатками. Результаты научной работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

Карты температурного поля во внешней части внутреннего ядра с контурами и линиями течения. (A) Карты центрированы на 0° (вверху) и 180° (внизу). Обратите внимание, что температуры на этой карте варьируются от -200 до 600 °C от средней температуры поверхности. (B) Линии течения для модели 1 в самых внешних 15% внутреннего ядра в области, определяемой плотностью томографической модели, показанной красным (высокая температура)/синим (низкая температура) цветами на разрезе по глубине. Маркеры деформации введены на глубине и прослежены на полуобороте по мере их распространения по поверхности. (C) Как и (B), но для модели 2, в которой вводится застойный внутренний слой ядра / © Scientific Reports, Hrvoje Tkalčić et al.

Полученная томограмма внешнего слоя внутреннего ядра глубиной 100 километров выявила несколько особенностей. Волны сжатия (обозначаются буквой P) проходили восточное полушарие с большей скоростью, чем западное — хотя в этом регионе был выступ от центральной Атлантики до Центральной Америки, который P-волны пробегали быстро. Измерив температуру по затуханию волн, исследователи обнаружили самую холодную область под северной частью Атлантического океана — температура поверхности внутреннего ядра там ниже средней на 200 Кельвин.

Самые горячие точки находились по бокам от холодной — в северной части Южной Америки, там температура на 600 Кельвин выше среднего, и широкая область на юге Азии от Средиземноморья до восточной Австралазии, она горячее на 300 Кельвин. На основе этих данных авторы предположили, что кристаллы железа во внутреннем ядре, вероятно, ориентированы радиально в сторону от горячих точек вдоль поверхности. Эти анизотропные особенности говорят о сложном устройстве тепловой конвекции в центре Земли: существуют как внутренние, локализованные источники нагрева, так и нелокализованные.

Своеобразную анизотропную ориентацию кристаллов железа авторы объяснили тем, что в прошлом, возможно, вся поверхность внутреннего ядра подвергалась конвекции. В результате возникла устойчивая структура, а когда ядро остыло, его сердцевина перестала конвектировать и кристаллы застыли в той ориентации, которую засекли датчики сейсмографов. А внешняя оболочка тем временем продолжает участвовать в теплообмене.