Giliai po Žemės paviršiumi slypi jos branduolys, kuris elgiasi taip neįprastai, kad mokslininkai jau dešimtmečius ieško šio reiškinio paaiškinimo. Nauji duomenys rodo, kad kietasis Žemės branduolys yra gerokai minkštesnis ir dinamiškesnis, nei buvo manyta ilgą laiką.
Tyrimo, kurio rezultatai paskelbti žurnale „National Science Review“, metu Sičuano universiteto mokslininkai atliko laboratorinius eksperimentus ir parodė, kad esant ekstremaliam slėgiui anglies atomai gali laisvai migruoti geležies gardelėje. Tai sumažina medžiagos standumą ir sulėtina skersines (sukamąsias) seismines bangas maždaug 23 %.
„Minkšto“ vidinio branduolio paslaptis
Seismologai jau seniai išmatavo, kad vidinis branduolys sulėtina tam tikras seismines bangas. Dabar kinų mokslininkai pasiūlė paaiškinimą, kodėl šis branduolys toks „minkštas“.
Pastebėta, kad pakankamai įkaitus ir esant dideliam slėgiui kai kurie kristalai pereina į suprejoninę būseną. Tokiu atveju lengvi atomai laisvai juda kietoje medžiagoje, o sunkesni gardelės atomai išsaugo savo tvarkingas padėtis. Judrūs atomai keliauja tarp tarpų, o ne lieka vienoje vietoje.
Medžiagotyros specialistai tokias medžiagas tyrinėja kietojo kūno baterijose, kur judantys jonai perneša krūvį per kristalinę gardelę. Panašios būsenos aptikimas geležies turtingame lydinyje yra itin svarbus, nes pakeičia supratimą, kaip branduolys gali būti kartu ir kietas, ir minkštas.
Mokslininkų teigimu, žemės drebėjimai į branduolį siunčia skersines bangas – sukamąsias virpesių bangas, kurios „patikrina“ medžiagos standumą. Žemės vidinis branduolys šias bangas smarkiai sulėtina: jų greitis siekia apie 3,5 kilometro per sekundę, tai yra gerokai mažiau, nei būdinga daugumai kietų geležies medžiagų.
Laboratoriniai eksperimentai
Laboratoriniuose tyrimuose mokslininkai naudojo geležies ir anglies mėginių smūginį suspaudimą. Dviejų pakopų dujinis pabūklo mechanizmas iki 6,9 km/s greičio įgreitindavo sviedinius ir sudarydavo 140 gigapaskalių slėgį. Temperatūra pakildavo maždaug iki 2315 laipsnių Celsijaus, o jutikliai fiksavo garso greitį susidariusiame lydinyje.
Tyrėjai pastebėjo, kad esant šiems pikiniams parametrams anglies atomai labai greitai judėjo per kietą geležies struktūrą. Tuo metu medžiaga netekdavo didžiosios dalies savo atsparumo kirpimui.
„Pirmą kartą eksperimentu parodėme, kad geležies ir anglies lydinys vidinio branduolio sąlygomis pasižymi pastebimai mažu skersinių bangų greičiu“, – sakė tyrimo autorius profesorius Jucziunas Džanas.
Branduolio anizotropija ir indėlis į geodinamo veikimą
Žemės vidinis branduolys daugiausia sudarytas iš geležies, tačiau jo tankis yra 3–5 % mažesnis, todėl tai rodo lengvesnių komponentų buvimą. Dėl šios priežasties mokslininkai tyrė geležies lydinį, kuriame anglies dalis sudarė 1,5 % masės. Anglis buvo įterpta kaip intersticinis kietasis tirpalas, kai smulkūs atomai užima tarpus tarp didesnių atomų.
Kai kurie vidinio branduolio tyrimai rodo seisminę anizotropiją – bangų greitis skiriasi priklausomai nuo jų sklidimo krypties. Tai leidžia manyti, kad branduolio medžiaga yra netolygi. Modeliavimas parodė, kad anglies atomai gardelėje renkasi tam tikrus judėjimo kelius tarp geležies sluoksnių, o tai gali lemti kryptingus medžiagos savybių skirtumus.
Net ir nedidelis struktūros išsidėstymo kryptingumas branduoliui augant gali nulemti, kad bangos vienomis kryptimis plis greičiau, o kitomis – lėčiau.
Taip pat primenama, kad Žemės magnetinis laukas kyla iš geodinamo – skysčio judėjimo išoriniame branduolyje, kuris generuoja planetos magnetinį lauką. Branduoliui vėstant išsiskiria šiluma ir iš kietėjančios geležies išstumiami lengvieji elementai, o tai skatina konvekciją.
„Be šiluminės ir sudėties konvekcijos, skysčiui artimas lengvųjų elementų judėjimas taip pat gali prisidėti prie Žemės magnetinio „variklio“ veikimo“, – teigė Sičuano universiteto geofizikas daktaras Jucianas Huangas.
Anot mokslininkų, kompiuterinės simuliacijos parodė, kad mišri – kieto ir judraus komponento – fazė gali atitikti stebimus vidinio branduolio duomenis. Norint šią prognozę paversti įtikinamais įrodymais, prireikė molekulinės dinamikos metodų, kurie kompiuteriškai modeliuoja atomų judėjimą laike, kartu su matavimais esant labai aukštam slėgiui.
Seniau paros Žemėje truko tik 19 valandų
Anksčiau mokslininkai nustatė, kad tolimoje praeityje Žemė išgyveno ilgą laikotarpį, kai jos sukimasis beveik nekito, o paros trukmė siekė maždaug 19 valandų. Tai vyko vidurinėje proterozojaus eroje – maždaug prieš 2–1 mlrd. metų.
Paprastai Žemės sukimasis lėtėja dėl potvyninių sąveikų su Mėnuliu, kuris „atimdavo“ dalį planetos sukimosi energijos. Tačiau tyrimo autoriai nustatė, kad ankstyvuoju proterozojumi šį efektą beveik visiškai kompensavo atmosferos potvyniai, sukelti Saulės šiluminio poveikio.
Esant tam tikroms sąlygoms šios atmosferos bangos patekdavo į rezonansą ir sukurdavo momentą, kuris spartino Žemės sukimąsi, taip atsverdamos Mėnulio stabdomąjį poveikį. Dėl to paros trukmė stabilizavosi ties maždaug 19 valandų riba.
