Giliai po Žemės paviršiumi slypi jos branduolys, kurio elgsena mokslininkams kelia klausimų jau dešimtmečius. Naujausi duomenys rodo, kad kietasis Žemės vidinis branduolys gali būti gerokai „minkštesnis“ ir dinamiškesnis, nei ilgą laiką manyta.
Sičuano universiteto mokslininkai laboratoriniais eksperimentais parodė, jog esant ekstremaliam slėgiui anglies atomai gali laisvai migruoti geležies kristalinėje gardelėje. Toks judėjimas sumažina medžiagos standumą ir skersinių (kirpimo) seisminių bangų greitį gali sumažinti maždaug 23 %.
„Minkšto“ vidinio branduolio paslaptis
Seismologai jau seniai yra nustatę, kad vidinis branduolys sulėtina tam tikras seismines bangas. Kinų tyrėjai pasiūlė tikėtiną paaiškinimą, kodėl ši Žemės dalis, nors ir kieta, pasižymi neįprastai mažu standumu.
Pastebėta, kad pakankamai įkaitus ir esant labai dideliam slėgiui kai kurios kristalinės medžiagos gali pereiti į vadinamąją superjoninę būseną. Tuomet lengvesni atomai ima laisvai judėti kieto kūno viduje, o sunkesni gardelę sudarantys atomai išlieka savo tvarkingose padėtyse. Judrieji atomai keliauja per tarpus gardelėje, o ne „prisiriša“ prie vienos vietos.
Tokios būsenos medžiagos jau tiriamos ir taikomos, pavyzdžiui, kietojo kūno baterijose, kur judantys jonai perneša krūvį per kristalinę struktūrą. Panašaus reiškinio aptikimas geležies turtingame lydinyje keičia supratimą apie tai, kaip vidinis branduolys gali būti kartu ir kietas, ir palyginti „minkštas“.
Žemės drebėjimai į branduolį siunčia skersines bangas – kirpimo virpesius, kurie yra jautrūs medžiagos standumui. Vidinis Žemės branduolys šias bangas smarkiai sulėtina: jų greitis siekia apie 3,5 km/s, t. y. gerokai mažiau, nei būdinga daugumai kietų geležies fazių.
Laboratoriniai eksperimentai
Eksperimentuose mokslininkai naudojo geležies ir anglies mėginių smūginį suspaudimą. Dviejų pakopų dujinis pabūklo mechanizmas sviedinius įgreitindavo iki 6,9 km/s ir sudarydavo maždaug 140 gigapaskalių slėgį. Temperatūra pakildavo iki maždaug 2315 °C, o jutikliai fiksuodavo garso (seisminių bangų) greitį susidariusiame lydinyje.
Tyrėjai nustatė, kad esant tokioms sąlygoms anglies atomai itin greitai juda kietoje geležies struktūroje. Dėl to medžiaga praranda didelę dalį atsparumo kirpimui, o tai tiesiogiai siejama su mažesniu skersinių bangų greičiu.
Pasak tyrimo autorių, tai pirmas kartas, kai eksperimentu parodyta, jog geležies ir anglies lydinys, atkartojant vidinio branduolio sąlygas, pasižymi akivaizdžiai mažu skersinių bangų greičiu.
Branduolio anizotropija ir galimas indėlis į geodinamo veikimą
Žemės vidinis branduolys daugiausia sudarytas iš geležies, tačiau jo tankis yra maždaug 3–5 % mažesnis, nei turėtų būti grynos geležies atveju. Tai leidžia manyti, kad jame yra ir lengvesnių elementų. Dėl šios priežasties mokslininkai tyrė geležies lydinį, kuriame anglies kiekis sudarė 1,5 % masės. Anglis čia veikia kaip intersticinis (tarpinis) kietasis tirpalas – smulkesni atomai užima tarpus tarp didesnių gardelės atomų.
Kai kurie vidinio branduolio tyrimai rodo seisminę anizotropiją – bangų greitis priklauso nuo sklidimo krypties. Tai leidžia įtarti, kad branduolio struktūra nėra visiškai vienalytė. Modeliavimas parodė, jog anglies atomai gardelėje gali rinktis tam tikrus, palankesnius judėjimo kelius tarp geležies sluoksnių, o tai gali sukurti kryptingus medžiagos savybių skirtumus.
Net nedidelis struktūrinis kryptingumas, branduoliui pamažu augant, galėtų lemti, kad seisminės bangos vienomis kryptimis sklistų greičiau, o kitomis – lėčiau.
Taip pat primenama, kad Žemės magnetinį lauką sukuria geodinamas – skysčio judėjimas išoriniame branduolyje. Planetai vėstant išsiskiria šiluma, o iš kietėjančios geležies išstumiami lengvesni elementai, kurie stiprina konvekciją ir palaiko procesus, reikalingus magnetiniam laukui generuoti.
Mokslininkai kelia prielaidą, kad be šiluminės ir sudėtinės konvekcijos, skysčiui artimas lengvųjų elementų judėjimas (susijęs su mišria – kietos gardelės ir judrių atomų – būsena) taip pat gali prisidėti prie Žemės magnetinio „variklio“ veikimo.
Kompiuterinės simuliacijos rodo, kad tokia mišri fazė gali gerai atitikti stebimus vidinio branduolio duomenis. Vis dėlto, norint prognozes paversti tvirtesniais įrodymais, prireikė molekulinės dinamikos metodų, kurie leidžia kompiuteriškai modeliuoti atomų judėjimą laike, ir matavimų esant itin aukštam slėgiui.
Seniau paros Žemėje truko tik 19 valandų
Ankstesni tyrimai taip pat parodė, kad tolimoje praeityje Žemė išgyveno ilgą laikotarpį, kai jos sukimasis beveik nekito, o paros trukmė siekė apie 19 valandų. Tai siejama su viduriniuoju proterozojumi – maždaug prieš 2–1 mlrd. metų.
Paprastai Žemės sukimasis palaipsniui lėtėja dėl potvyninių sąveikų su Mėnuliu, kuris „atima“ dalį planetos sukimosi energijos. Tačiau teigiama, kad ankstyvajame proterozojuje šį efektą beveik visiškai kompensavo atmosferos potvyniai, kuriuos sukėlė Saulės šiluminis poveikis.
Esant tam tikroms sąlygoms atmosferos bangos galėjo patekti į rezonansą ir sukurti momentą, kuris spartino Žemės sukimąsi, taip atsverdamos Mėnulio stabdomąjį poveikį. Dėl to paros trukmė ilgam stabilizavosi ties maždaug 19 valandų riba.
