Ядру Земли миллиард лет

Современная Земля похожа на слоеный пирог с твердой внешней корой, горячей вязкой мантией, жидким внешним ядром и твердым внутренним ядром. Это твердое внутреннее ядро ??медленно растет по мере того, как жидкое железо в ядре охлаждается и кристаллизуется. Этот процесс способствует перемешиванию жидкого внешнего ядра, которое создает магнитное поле, окружающее Землю, и помогает защитить планету от вредного космического излучения.

Другими словами, внутреннее ядро ??очень важно.

Но об истории железного шара шириной 2442 километра известно немногое. Оценки его возраста варьируются от полумиллиарда до более чем 4 миллиардов лет, почти столько же, сколько самой Земля, возраст которой составляет 4,5 миллиарда лет. Теперь исследователи зажали крошечный кусок железа между двумя алмазами и взорвали его лазерами, чтобы получить новую оценку от 1 до 1,3 миллиарда лет - диапазон дат, который совпадает с измеримым усилением магнитного поля Земли, которое произошло примерно в то же время.

«Земля уникальна в Солнечной системе тем, что у нее есть магнитное поле и она пригодна для жизни», - рассказывает автор исследования Юнг-Фу Линь, геолог из Техасского университета в Остине. «В конце концов, наши результаты можно будет использовать для размышлений о том, почему другие планеты в нашей солнечной системе не имеют магнитных полей».

Геодинамо

Магнитное поле Земли приводится в действие тем, что ученые называют «геодинамо». Это движение богатого железом внешнего ядра, которое превращает планету в гигантский, хотя и несколько беспорядочный магнит. Геодинамо отвечает за Северный и Южный полюсы Земли и невидимый щит магнетизма, который отклоняет и улавливает заряженные частицы, исходящие от Солнца. В противном случае эти частицы медленно лишили бы Землю атмосферы.

Часть движения внутреннего ядра происходит за счет источника тепловой энергии. По мере постепенного остывания ядра ??Земли, оно кристаллизуется изнутри. Этот процесс кристаллизации высвобождает энергию, которая дополнительно приводит в движение жидкое внешнее ядро. Это высвобождение энергии при кристаллизации называется составным источником энергии геодинамо.

Лин и его команда хотели использовать экспериментальные данные, чтобы определить энергию каждого из источников. Знание количества энергии позволило бы им оценить возраст внутреннего ядра.

Для этого исследователи в крошечном масштабе воссоздали состояние ядра. Они нагрели кусок железа толщиной всего 6 микрон (примерно, как длина эритроцита) до температуры 2727 градусов по Цельсию и зажали образец между двумя алмазами, чтобы выдержать экстремальное давление ядра Земли. Затем они измерили проводимость железа в этих условиях.

Молодое ядро

Это измерение проводимости позволило исследователям рассчитать тепловое охлаждение ядра, необходимое для питания геодинамо. Они обнаружили, что геодинамо потребляло около 10 тераватт энергии из охлаждающего ядра - чуть более пятой части тепла, которое Земля рассеивает в космос со своей поверхности (46 тераватт).

По словам Лин, после того, как они вычислили количество потерь энергии, исследователи смогли вычислить возраст внутреннего ядра Земли. Знание скорости потери энергии позволило исследователям рассчитать, сколько времени потребуется, чтобы получить твердую массу размером с сегодняшнее ядро ??из капли расплавленного железа.

Результат от 1 миллиарда до 1,3 миллиарда лет предполагает, что ядро ??Земли на самом деле относительно молодое.

Эта оценка не такая небольшая, как некоторые, например, опубликованная в 2016 году, где использовали аналогичные методы, но обнаружилось, что возраст ядра составляет всего 700 миллионов лет. По словам Линь, в новом эксперименте использовались более надежные способы управления давлением и температурой, создаваемыми в активной зоне, что делает эту более раннюю оценку маловероятной.

Древние магнитные породы показали, что магнитное поле внезапно усилилось между 1 и 1,5 миллиардами лет назад, как показало исследование 2015 года, опубликованное в журнале Nature. Новая эра хорошо согласуется с этим свидетельством, поскольку кристаллизация внутреннего ядра дала бы импульс магнитному полю, считает Линь.

Все еще остаются вопросы о том, как тепло движется в ядре. В отличие от протестированного образца, ядро ??- это не просто железо, оно также содержит более легкие элементы, такие как углерод, водород, кислород, кремний и серу. Но пропорции этих легких элементов неизвестны, поэтому трудно понять, как они изменяют проводимость внутреннего ядра. Вот над чем сейчас работают Лин и его команда.

«Мы пытаемся понять, как существование этих легких элементов на самом деле влияет на теплопередающие свойства железа при условиях высокого давления и высоких температур», - сказал Линь.

Исследователи сообщили о своих выводах в журнале Physical Review Letters.