Geležies turtingas Žemės branduolys yra nematomas, bet esminis mūsų planetos variklis. Jis vaidina svarbų vaidmenį ne tik formuojant magnetinį lauką, saugantį atmosferą ir vandenynus nuo Saulės spinduliuotės, bet ir lemia plokščių tektoniką.
Nepaisant to, kiek daug nuo jo priklauso, vis dar lieka nemažai nežinomųjų, koks tikslus branduolio karštis, iš ko jis susideda ir kada tiksliai prasidėjo jo stingimas?
Šie klausimai ilgą laiką buvo beveik neatsakomi, juk tiesiogiai pasiekti branduolį kol kas neįmanoma. Vis dėlto naujas tyrimas priartino mus prie šių paslapčių išrišimo labiau nei bet kada anksčiau.
Kas vyksta planetos širdyje?
Vidinės branduolio temperatūros vertė šiuo metu siekia apie 5 000 kelvinų, tai yra maždaug 4 727 laipsniai Celsijaus. Kadaise skystas, jis po truputį vėso ir ėmė stingti, iš vidaus formuodamas kietą branduolio dalį.
Šis vėsimo procesas maitina Žemės mantiją ir sukelia sroves, kurios skatina tektoninių plokščių judėjimą. Ta pati šiluma atsakinga ir už magnetinio lauko formavimąsi – jo didžioji dalis šiandien gaunama iš skystosios branduolio dalies stingimo ir kietosios šerdies augimo.
Tačiau tam, kad suprastume branduolio vėsimo eigą, reikia žinoti tikslią jo lydymosi temperatūrą. Seismologija leidžia tiksliai nustatyti ribą tarp kietosios ir skystosios branduolio dalių, o tai ta vieta, kurioje prasideda stingimas.
Todėl jei tiksliai žinotume šios medžiagos lydymosi temperatūrą, galėtume gerokai tiksliau apskaičiuoti branduolio sudėtį ir temperatūrą.
Ne tokia paprasta chemija
Iki šiol buvo naudojami du metodai branduolio sudėčiai suprasti – meteoritų analizė ir seismologija. Meteoritai, kaip spėjama, yra planetų liekanos arba jų branduolio gabalai, todėl jų cheminė analizė leidžia daryti prielaidas, kad Žemės branduolį sudaro geležis, nikelis, galbūt šiek tiek silicio ar sieros.
Tačiau tokie spėjimai labai bendri.
Seismologija leidžia daug daugiau. Stebint, kaip žemės drebėjimų bangos sklinda per planetą, galima įvertinti, koks tankis ir sudėtis medžiagų, per kurias bangos keliauja. Tokie matavimai rodo, kad Žemės branduolys yra apie 10 proc. mažesnio tankio nei gryna geležis, o skystasis branduolys – tankesnis už kietąjį.
Tačiau ir šios išvados neatskleidžia tikslių elementų derinių – mat net nedideli jų skirtumai lemia didelius temperatūros pokyčius.
Atsakymas slypėjo super šaldyme
Naujas tyrimas pasitelkė mineralų fiziką ir iškėlė teoriją, kaip galėjo prasidėti branduolio stingimas. Tyrimo metu analizuotas vadinamasis super šaldymas, reiškinys, kai skystis atšaldomas žemiau jo lydymosi temperatūros ir tik tada pradeda stingti.
Pasirodo, kad skirtingos metalų lydinio sudėtys reikalauja labai skirtingų super šaldymo lygių. Tyrėjai nustatė, kad branduolio super šaldymas galėjo būti daugiausiai apie 420 laipsnių žemiau lydymosi ribos, jei būtų buvęs didesnis, vidinis branduolys šiandien būtų gerokai didesnis, nei rodo seismologiniai duomenys.
Tačiau gryna geležis reikalautų net 1 000 laipsnių super šaldymo, o tai reikštų, kad visas branduolys jau būtų sustingęs, o taip nėra. Kai prie sudėties pridedama silicio ar sieros, padėtis tik blogėja – reikalingas dar didesnis super šaldymas.
Tačiau įvedus anglies – rezultatai pagaliau ima tikti. Jei apie 2,4 proc. branduolio masės sudarytų anglis, užtektų tų 420 laipsnių super šaldymo, kad prasidėtų kietosios šerdies formavimasis. Jeigu anglies būtų daugiau, apie 3,8 proc., pakaktų vos 266 laipsnių.
Naujas požiūris į branduolio sudėtį
Tyrimas parodė, kad anglis gali būti vienas iš pagrindinių raktų į branduolio stingimo mechanizmo supratimą. Tai pirmas kartas, kai buvo parodyta, jog tokia kietosios branduolio šerdies formacija apskritai yra įmanoma.
Tačiau vien anglies neužtenka, seismologiniai matavimai rodo, kad reikia dar bent vieno elemento. Labiausiai tikėtini kandidatai, deguonis ir galbūt tas pats silikonas.
Tai reikšmingas žingsnis į priekį siekiant atsakyti į klausimus, kurie šimtmečius kėlė smalsumą: kaip atsirado Žemės kietasis branduolys, iš ko jis sudarytas, ir kaip visa tai paveikė mūsų planetos evoliuciją, nuo žemynų dreifavimo iki magnetinio skydo, saugančio mus nuo kosminių grėsmių.
