Australijscy naukowcy odkryli tysiące kilometrów pod naszymi stopami, w płynnym jądrze Ziemi, strukturę w kształcie torusa. Położona jest równolegle do równika i może dostarczyć nowych wskazówek na temat dynamiki pola magnetycznego naszej planety.
Obszar w kształcie torusa odkryli naukowcy z Australian National University (ANU). Wykorzystali do tego fale sejsmiczne powstałe w wyniku trzęsień ziemi. Korzystając z nowego sposobu badania tych fal, Xiaolong Ma oraz Hrvoje Tkalčić znaleźli równoległy do równika duży obszar w płynnym jądrze Ziemi w kształcie torusa (donuta). Obszar ten ma grubość kilkuset kilometrów.
Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma „Science Advances” (DOI: 10.1126/sciadv.adn5562).
Nieznana struktura wewnątrz Ziemi
Powszechnie uważa się, że jądro Ziemi jest kulą o promieniu niemal 3500 km. Składa się głównie ze stopów niklu i żelaza, ale może mieć domieszki siarki, krzemu czy potasu. Badacze wyróżniają trzy struktury, które wchodzą w skład jądra Ziemi: płynne jądro zewnętrzne, jądro wewnętrzne oraz strefę przejściową między nimi – nieciągłość Lehmanna. Wewnętrzne jądro Ziemi swobodnie wiruje otoczone morzem płynnego żelaza, czyli jądrem zewnętrznym. Prądy konwekcyjne występujące w jądrze ziemi tworzą geodynamo, dzięki któremu naszą planetę otacza i chroni pole magnetyczne. Nad jądrem znajduje się płaszcz ziemski, a dopiero na nim skorupa naszej planety, na której żyjemy.
Nowo odkryty obszar w kształcie donuta znajduje się na szczycie zewnętrznego jądra Ziemi, gdzie jądro płynne spotyka się z płaszczem ziemskim. – Region ten leży równolegle do płaszczyzny równikowej, jest ograniczony do niskich szerokości geograficznych. Nie znamy dokładnej jego grubości, ale wywnioskowaliśmy, że sięga on kilkaset kilometrów w okolicę granicy jądra i płaszcza – powiedział Tkalčić.
W badaniach naukowcy ustalili, że fale sejsmiczne przemieszczają się przez ten obszar o około 2 proc. wolniej niż w pozostałej części jądra. Według nich oznacza to, że zawiera on więcej lżejszych pierwiastków, takich jak krzem i tlen i może odgrywać kluczową rolę w prądach konwekcyjnych przepływających przez jądro, które generują pole magnetyczne Ziemi.
Analizy fal sejsmicznych
Naukowcy wykorzystują fale sejsmiczne wytwarzane przez trzęsienia ziemi, jako rodzaj ultradźwięków, aby zobrazować kształt struktur znajdujących się wewnątrz Ziemi. Większość takich badań skupia się na silnych, początkowych falach, które przemieszczają się po świecie w ciągu godziny lub dwóch po trzęsieniu ziemi.
Naukowcy z ANU przyglądnęli się późniejszej, słabszej części tych fal. Przeanalizowali podobieństwa zarejestrowane przez różne detektory sejsmiczne między formami fal wiele godzin po trzęsieniu ziemi, co doprowadziło ich do dokonania wyjątkowego odkrycia.
– Dzięki zrozumieniu geometrii ścieżek fal i sposobu, w jaki przemierzają one zewnętrzne jądro, zrekonstruowaliśmy ich czasy podróży przez Ziemię, wykazując, że nowo odkryty region ma niskie prędkości sejsmiczne — powiedział Tkalčić. – Ta szczególna struktura pozostawała ukryta aż do teraz, ponieważ w poprzednich badaniach obserwowano fale, które zwykle były ograniczone w ciągu jednej godziny po czasie powstania dużych trzęsień ziemi. Udało nam się osiągnąć znacznie lepszy zasięg objętościowy, ponieważ badaliśmy fale odbijające się przez wiele godzin po dużych trzęsieniach ziemi – dodał.
Naukowcy porównali dane sejsmiczne zebrane przez detektory w okolicy biegunów z tymi w okolicy równika. Fale wykryte bliżej biegunów poruszały się szybciej niż te w pobliżu równika. Następnie „nakarmili” zebranymi danymi symulacje komputerowe, by ustalić, jakie warunki mogą powodować uzyskane wyniki. Modele pokazały, że w zewnętrznym jądrze wokół równika musi znajdować się torus, gdzie fale poruszają się wolniej.
Geodynamo
Dno czy też spód płynnego, zewnętrznego jądra, jest cieplejszy niż góra. Ta różnica temperatur sprawia, że ciekły metal porusza się jak gotująca się woda w garnku. Ten proces nazywa się konwekcją termiczną. Ciągły ruch powinien oznaczać, że cały materiał w zewnętrznym jądrze jest dość dobrze wymieszany i jednolity.
Ale jeśli wszędzie w zewnętrznym jądrze jest ten sam materiał, to fale sejsmiczne powinny poruszać się z mniej więcej taką samą prędkością. Dlaczego więc fale zwalniają w odkrytym regionie? Według badaczy obszar ten musi zawierać znacznie większe stężenie lekkich pierwiastków. Mogą one być uwalniane ze stałego jądra wewnętrznego Ziemi do płynnego jądra zewnętrznego, gdzie ich wyporność powoduje większą konwekcję.
Naukowcy uważają, że poznanie składu zewnętrznego jądra Ziemi, w tym lekkich pierwiastków chemicznych, ma fundamentalne znaczenie dla pełnego zrozumienia pola magnetycznego.
– Nasze odkrycia są interesujące, ponieważ niska prędkość w płynnym jądrze oznacza, że mamy wysokie stężenie lekkich pierwiastków chemicznych w tych regionach, co spowodowało spowolnienie fal sejsmicznych — powiedział profesor Tkalčić. – Pole magnetyczne jest podstawowym składnikiem, którego potrzebujemy, aby życie mogło utrzymać się na powierzchni naszej planety. Dynamika pola magnetycznego Ziemi jest obszarem dużego zainteresowania społeczności naukowej, więc nasze wyniki mogą promować więcej badań nad polem magnetycznym zarówno na Ziemi, jak i na innych planetach – dodał.
Źródło: Australian National University, The conversation, fot. NASA/ Joshua Stevens