Učebnice čaká veľká zmena: Vnútro Zeme nie je pevná guľa železa. Vedci odhalili skrytý stav hmoty v jadre
Výskumníci v rámci svojej najnovšej práce odhalili zvláštne nové skupenstvo hmoty, hlboko pod našimi nohami. Nachádza sa v jadre Zeme.
Zatiaľ čo učebnice často opisujú vnútorné jadro ako pevný guľatý kus železa, realita je omnoho zaujímavejšia. Nový výskum ukazuje, že vnútorné jadro existuje v superiónovom stave, kde železná mriežka zostáva pevná, ale ľahké atómy, predovšetkým uhlík, sa pohybujú tekutým spôsobom, informuje Science Daily.
„Uhlíkové atómy sa pohybujú ako deti v tanci, prechádzajú mriežkou bez jej narušenia. Tento pohyb znižuje tvrdosť zliatiny a vysvetľuje, prečo seizmické merania ukazujú, že vnútorné jadro je pevné, no mäkšie než by sme čakali,“ opisuje Youjun Zhang, jeden z autorov výskumu.
Superiónový stav sa nachádza priamo na hranici s tekutým vonkajším jadrom. Pohyb ľahkých prvkov vo vnútornom jadre môže priamo ovplyvniť zloženie a prúdenie vo vonkajšom jadre, ktoré je kľúčové pre generovanie magnetického poľa Zeme. Ide pritom o difúziu, nie čiastočné tavenie, železná mriežka zostáva stabilná, ale atómy uhlíka „preskakujú“ z miesta na miesto, čo umožňuje dynamickú interakciu medzi vnútorným a vonkajším jadrom. Tento pohyb môže prispieť aj k seizmickej anizotropii, teda k smerovo závislým rozdielom v rýchlosti šmykových vĺn.
Extrémne podmienky v laboratórnych podmienkach
Laboratórne experimenty dosiahli extrémne podmienky vnútorného jadra, tlak až 140 gigapascalov a teplotu približne 2600 kelvinov. Výsledky ukazujú výrazný pokles rýchlosti šmykových vĺn a zvýšenie Poissonovho čísla, čo potvrdzuje, že uhlík sa pohybuje pružne a rýchlo.
„Difúzia ľahkých prvkov predstavuje nový zdroj energie pre geodynamo, ktorý posilňuje pohyb v jadre a podporuje magnetické pole. Tento pohyb poskytuje vnútornému jadru flexibilitu a môže vysvetliť dlhodobo pozorované anomálie v seizmických údajoch,“ hovorí Dr. Yuqian Huang, spoluautor výskumu.
Uhlík nie je jediný, kto sa správa tekutým spôsobom. Pravdepodobne sa podobne pohybujú aj vodík, kyslík či síra. Tieto prvky znižujú hustotu zliatiny a dodávajú ďalšiu energiu do pohybu vo vnútornom jadre, čo znamená, že vnútorné jadro funguje ako aktívna súčasť geodynama, nie len ako pevná guľa železa. Ich pohyb môže tiež zosilniť magnetický tok vo vonkajšom jadre a prispieť k stabilite geomagnetického poľa, ktoré chráni Zem pred slnečným vetrom a kozmickým žiarením.
Superiónový model poskytuje aj prirodzené vysvetlenie seizmickej anizotropie. Šmykové vlny cestujú rôzne rýchlo podľa smeru, rýchlejšie rovnobežne s osou rotácie Zeme a pomalšie kolmo na ňu. Staré modely to vysvetľovali orientáciou železných kryštálov. Nový model naznačuje, že chaotický pohyb ľahkých atómov vo vnútri mriežky dokáže generovať tieto variácie smerom bez nutnosti predpokladať špecifickú orientáciu kryštálov.
Neprehliadni
Objav mení pohľad na vnútorné jadro. Nejde o statickú, nehybnú guľu, ale o dynamický systém, kde pevné železo a pohyblivé ľahké prvky spolupracujú. Tieto zistenia majú význam aj pre iné kamenné planéty a exoplanéty. Ak podobný superiónový stav existuje inde, môže vysvetľovať, ako vznikajú a udržiavajú sa magnetické polia a vnútorná dynamika aj mimo Zeme.
„Pochopenie tohto skrytého stavu hmoty nás približuje k odhaleniu tajomstiev vnútorných štruktúr planetárnych telies podobných Zemi,“ uzatvára profesor Zhang.
Ako objav pomôže pri exoplanétach?
Geofyzikálne modely vnútorných štruktúr exoplanét sa doteraz opierali o statické predpoklady pre pevné jadrá. Ignorovali možnosť, že jadrá môžu byť dynamické a mäkké. Ak sa superiónový stav vyskytuje v Zemskom jadre, je vysoko pravdepodobné, že sa formuje aj v podmienkach iných kamenných planét podobnej veľkosti a zloženia. Najmä ak obsahujú vo svojich jadrách ľahké prvky.
Nový model umožňuje vedcom spresniť hustotu, viskozitu a tepelnú vodivosť jadier vzdialených planét. Takéto presnejšie modely sú nevyhnutné na interpretáciu pozorovaných dát, napríklad pre exoplanéty, ktoré tranzitujú pred svojimi hviezdami.
Okrem vnútornej štruktúry má tento objav zásadný význam pre pochopenie planetárnych magnetických polí. Magnetické pole je považované za kľúčový predpoklad pre vznik a udržanie života, pretože chráni povrch planéty pred škodlivým kozmickým žiarením. Magnetické pole je generované geodynamom, ktoré poháňajú prúdy tekutého materiálu v jadre.
Zistenie, že tekutinový pohyb ľahkých prvkov v pevnom vnútornom jadre Zeme prispieva energiou k geodynamu, naznačuje, že dynamika magnetického poľa na exoplanétach môže byť oveľa komplexnejšia, než sa predpokladalo. Vedci tak môžu hľadať a modelovať dynamické procesy. Tie by mohli podporiť dlhodobé magnetické pole aj u planetárnych telies, ktoré sa z hľadiska zloženia mierne líšia od Zeme.
