Как Земля поддерживает свое магнитное поле?
Как химический состав ядра нашей планеты определил ее географическую историю и наличие жизни?
Об этом говорится в пресс-релизе Института наук Карнеги.
Жизнь, как мы знаем, не могла бы существовать без магнитного поля Земли и его способности отражать опасные ионизирующие частицы от солнечного ветра и более отдаленных космических лучей. Оно непрерывно генерируется движением жидкого железа во внешнем ядре Земли – явление, которое называется геодинамо.
Несмотря на его фундаментальное значение, многие вопросы о происхождении геодинамо и источниках энергии, которые поддерживали его на протяжении тысячелетий, остаются без ответа.
Новая работа международной команды исследователей, среди которых нынешние и бывшие ученые Института наук Карнеги Александр Гончаров, Николас Хольтгрю, Сергей Лобанов и Ирина Чувашова рассматривает, как наличие более легких элементов в основном железном ядре может повлиять на генезис и устойчивость геодинамо. Их выводы опубликовал журнал «Nature Communications» в статье «Низкая теплопроводность железо-кремниевых сплавов в условиях ядра Земли с последствиями на геодинамо».
Наша планета нарастала с диска пыли и газа, который окружал наше Солнце в молодости. В конце концов плотный материал погрузился внутрь формировавшейся планеты, создав существующие сегодня слоя – ядро, мантию и кору. Хотя в ядре преобладает железо, сейсмические данные указывают на то, что некоторые легкие элементы, такие как кислород, кремний, сера, углерод и водород, были растворены в нем в процессе дифференциации.
Со временем внутреннее ядро кристаллизовалось и с тех пор постоянно охлаждается. Может ли само по себе тепло, идущее из ядра в мантию, приводить в движение геодинамо? Или эта тепловая конвекция требует дополнительного усиления от плавучести легких элементов, а не только тепла, выходящих из внутреннего ядра при конденсации?
Понимание специфики химического состава ядра может помочь ответить на этот вопрос.
В мантии преобладают силикаты, а после кислорода и железа кремний является третьим наиболее распространенным элементом на Земле, так это вероятный вариант для одного из основных легких элементов, которые могут бы быть сплавленными с железом в ядре. Во главе с Вэнь-Пин Хсе из Академии Синики и Национального университета Тайваня исследователи использовали лабораторную мимикрию глубинных условий Земли, чтобы имитировать, как наличие кремния повлияет на передачу тепла из железного ядра планеты к мантии.
«Чем менее теплопроводный материал ядра, тем ниже порог, необходимый для генерации геодинамо», - объясняет Гончаров. «При достаточно низком пороге тепловой поток от ядра может полностью выводиться с помощью тепловой конвекции, при этом нет необходимости в дополнительном перемещении материала, чтобы заставить это работать».
Команда обнаружила, что при концентрации кремния около 8 весовых процентов в их эмулируемом внутреннем ядре, геодинамо могло бы происходить только за счет теплопередачи на протяжении всей истории планеты.
Забегая наперёд, они хотят расширить свои усилия, чтобы понять, как присутствие кислорода, серы и углерода в ядре влияли бы на этот процесс конвекции.