Jadro Zeme je zaobalené ako „cibuľa“: Nové vysvetlenie odhaľuje, prečo nesedeli seizmické merania
Zvláštne správanie seizmických vĺn v jadre Zeme mátalo vedcov celé roky. Nový výskum ukazuje, že vnútorné jadro má vrstvenú „cibuľovitú“ štruktúru, ktorá mení ich šírenie.
Vedci už roky sledovali zvláštne správanie seizmických vĺn, ktoré prechádzali vnútorným jadrom Zeme. Pri silných zemetraseniach si všimli, že tlakové vlny sa šírili o tri až štyri percentá rýchlejšie pozdĺž rotačnej osi planéty než v smere rovníka. V mierke celej Zeme to nebola zanedbateľná odchýlka, ale výrazný fyzikálny rozdiel. Medzinárodný výskumný tím teraz ponúkol vysvetlenie, ktoré vnútro planéty prirovnal k cibuli.
Vedci z Univerzity v Münsteri, Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Univerzity v Lille a Európskeho synchrotrónového zariadenia ESRF uskutočnili sériu experimentov, ktoré simulovali extrémne podmienky hlboko pod povrchom Zeme. Výsledky naznačili, že vnútorné jadro netvorí jednoliata guľa, ale viacvrstvová štruktúra vytvorená chemickým vrstvením.
Zemské jadro tvorí prevažne železo. Popri ňom sa v menších množstvách nachádzajú ľahšie prvky, najmä kremík, uhlík a kyslík. Práve ich kombinácia podľa nových zistení zásadne ovplyvnila mechanické vlastnosti materiálu a spôsob, akým sa cez jadro šíria seizmické vlny.
„Existovalo viac hypotéz, ktoré sa snažili vysvetliť pôvod seizmickej anizotropie,“ uviedla profesorka Carmen Sanchez-Valle z Inštitútu mineralógie na Univerzite v Münsteri: „Chýbali však experimentálne údaje, ktoré by ukázali správanie zliatin železa s kremíkom a uhlíkom v podmienkach jadra.“
Cibuľovité jadro Zeme
Výskumníci preto pripravili presne definované zliatiny železa, kremíka a uhlíka. V laboratóriu PETRA III v Hamburgu ich vložili do diamantovej nákovy, zariadenia, ktoré dokáže vytvoriť extrémny tlak pomocou dvoch proti sebe stlačených diamantov. Vzorky najprv stlačili, následne zahriali na viac než 820 stupňov Celzia a napokon vystavili tlaku približne miliónkrát vyššiemu než atmosférický.
Pre lepšiu predstavu, tlak v diamantovej nákove dosahoval približne 100 až 200 gigapascalov. To zodpovedalo situácii, akoby sa celá váha Eiffelovej veže sústredila na plochu veľkosti mince, alebo ako tlak na špičke ihly, na ktorej by balansovalo celé stádo slonov.
Neprehliadni
Kľúčovú úlohu zohral aj samotný synchrotrón. PETRA III patrí medzi najvýkonnejšie zdroje röntgenového žiarenia na svete a umožnil vedcom „vidieť“ cez masívne diamantové čeľuste nákovy. V reálnom čase sledovali, ako sa atómy železa, kremíka a uhlíka preskupovali pod náporom extrémnej sily.
„Dokázali sme dekódovať orientáciu kryštálov pomocou röntgenovej difrakcie kolmej na smer stlačenia,“ vysvetlil prvý autor štúdie Efim Kolesnikov: „Z týchto dát sme vypočítali pevnosť a viskozitu zliatin a následne ich extrapolovali na podmienky vnútorného jadra.“
Výsledky ukázali, že zliatina si vytvorila preferenčnú orientáciu kryštálov, ktorá menila rýchlosť šírenia tlakových vĺn. S rastúcou hĺbkou jadra zároveň stúpal podiel čistého železa, zatiaľ čo ľahšie prvky sa sústreďovali vo vyšších vrstvách. Vznikla tak viacvrstvová štruktúra, ktorá pripomínala vrstvy cibule.
„Takéto chemické vrstvenie presne zodpovedá rozdielom, ktoré pozorujeme v seizmických profiloch,“ povedal vedúci tímu Ilya Kupenko: „Zloženie jadra sa mení s hĺbkou a to priamo ovplyvňuje šírenie seizmických vĺn.“
Objav za hranicami geológie
Tento objav presiahol hranice čistej geológie. Štruktúra vnútorného jadra úzko súvisí s fungovaním geodynama, teda procesu, pri ktorom pohyb tekutého kovu vo vonkajšom jadre vytvára magnetické pole Zeme. Ak má vnútorné jadro vrstvenú štruktúru, ovplyvňuje to prenos tepla smerom von a tým aj prúdenie tekutého železa. Stabilita magnetického poľa tak závisí aj od chemického usporiadania hlboko pod našimi nohami.
Otvorenou otázkou zostal časový vývoj tejto „cibule“. Vedci predpokladajú, že ako jadro počas miliárd rokov chladlo a kryštalizovalo, ľahšie prvky sa postupne vytláčali smerom nahor. Tento proces, známy ako frakčná kryštalizácia, by vysvetlil, prečo vrchné vrstvy vnútorného jadra obsahujú viac prímesí, zatiaľ čo samotné centrum zostáva takmer čistým železom.
Štúdia publikovaná v časopise Nature Communications neposkytla definitívne odpovede na všetky otázky, no výrazne spresnila obraz o tom, ako vnútro Zeme funguje a prečo sa seizmické vlny správajú tak, ako sa správajú.
