Начнем с основ. Земля внутри многослойна, как лук. Твердое железо-никелевое внутреннее ядро — сегодня его радиус составляет 1200 километров — окружено жидким внешним ядром из расплавленного железа и никеля толщиной около 2400 километров. Внешнее ядро окружено мантией из горячих горных пород толщиной 2900 километров и перекрывается тонкой прохладной каменистой корой на поверхности.
Конвекция возникает как во внешнем ядре, которое медленно закипает, когда тепло кристаллизующегося железа выходит из внутреннего ядра, так и в мантии, когда более горячая порода движется вверх, чтобы нести это тепло от центра планеты к поверхности. Интенсивное кипение во внешнем ядре из жидкого железа создает магнитное поле Земли.
По неизвестным причинам внутреннее ядро Земли из твердого железа растет с одной стороны быстрее, чем с другой, и это происходило с тех пор, как оно начало вымерзать из расплавленного железа более полумиллиарда лет назад, согласно новому исследованию сейсмологов из Калифорнийский университет в Беркли.
Ускоренный рост в море Банда в Индонезии не повлиял на суть вычислений. Гравитация равномерно распределяет новый рост — кристаллы железа, которые образуются по мере охлаждения расплавленного железа — для поддержания сферического внутреннего ядра, радиус которого увеличивается в среднем на 1 миллиметр в год.
Но усиление роста с одной стороны предполагает, что что-то во внешнем ядре или мантии Земли под Индонезией отводит тепло от внутреннего ядра быстрее, чем на противоположной стороне, под Бразилией. Более быстрое охлаждение с одной стороны ускорит кристаллизацию железа и рост внутреннего ядра с этой стороны.
Это имеет значение для магнитного поля Земли и ее истории, потому что конвекция во внешнем ядре, вызванная выделением тепла из внутреннего ядра, сегодня приводит в движение динамо-машину, генерирующую магнитное поле, которое защищает нас от опасных частиц Солнца.
Ранее предполагалось, что возраст внутреннего ядра составляет не менее 1,5 миллиардов лет, что вписывалось во многие теории. Молодой возраст внутреннего ядра может означать, что в начале истории Земли тепло, создаваемое кипящим жидким ядром, исходило от легких элементов, отделяющихся от железа, а не от кристаллизации железа, которую мы наблюдаем сегодня.
Асимметричный рост внутреннего ядра объясняет загадку трех десятилетней давности — то, что кристаллизованное железо в ядре, кажется, предпочтительно выровнено вдоль оси вращения Земли, в большей степени на западе, чем на востоке, тогда как можно было бы ожидать кристаллы должны быть ориентированы случайным образом.
Доказательства этого совпадения получены из измерений времени прохождения сейсмических волн от землетрясений через внутреннее ядро. Сейсмические волны распространяются быстрее в направлении оси вращения с севера на юг, чем вдоль экватора, асимметрия, которую геологи приписывают кристаллам железа, которые являются асимметричными, у которых длинные оси преимущественно ориентированы вдоль оси Земли.
Если ядро представляет собой твердое кристаллическое железо, как кристаллы железа ориентируются преимущественно в одном направлении?
В попытке объяснить наблюдения, Фрост и его коллеги Марин Ласблис из Нантского университета во Франции и Брайан Чандлер и Романович из Калифорнийского университета в Беркли создали компьютерную модель роста кристаллов во внутреннем ядре, которая включает геодинамические модели роста и физику минералов железа. при высоком давлении и высокой температуре.
Модель описывает, как асимметричный рост — примерно на 60% выше на востоке, чем на западе — может предпочтительно ориентировать кристаллы железа вдоль оси вращения, с большей ориентацией на западе, чем на востоке, и объяснять разницу в скорости сейсмических волн во внутреннем пространстве.
Согласно компьютерной модели, по мере роста кристаллов железа гравитация перераспределяет избыточный рост с востока на запад внутри внутреннего ядра. Это движение кристаллов внутри довольно мягкого твердого тела внутреннего ядра — которое близко к температуре плавления железа при таком высоком давлении — выравнивает кристаллическую решетку вдоль оси вращения Земли в большей степени на западе, чем на востоке.
Модель правильно предсказывает новые наблюдения исследователей о времени прохождения сейсмической волны через внутреннее ядро: анизотропия или разница во времени прохождения параллельно и перпендикулярно оси вращения увеличивается с глубиной, а самая сильная анизотропия смещается к западу на 400 километров.
По словам исследователей, модель роста внутреннего ядра также ограничивает соотношение никеля и железа в центре Земли. Модель не точно воспроизводит сейсмические наблюдения, если никель не составляет от 4% до 8% внутреннего ядра, что близко к доле в металлических метеоритах, которые когда-то предположительно были ядрами карликовых планет в нашей Солнечной системе. Модель также сообщает геологам, насколько вязким или текучим является внутреннее ядро.
