17.10.2013 14:15

Земное ядро обмануло ученых

Ученые, по сути, опровергли существующую гипотезу об образовании ядра Земли. Раньше считалось, что металлические ядра у всех небесных тел формируются по одной схеме. Однако недавние эксперименты показали, что возможны и другие пути образования ядра. Получается, что этот процесс следует рассматривать как уникальный для каждого небесного тела.

Фото:

Следует заметить, что гипотезы о том, каким образом формировались мантия и ядро нашей планеты, ученые строят, исходя из состава обоих слоев. Так, если посмотреть на строение мантии, то мы увидим, что ближе всего к земной коре находится слой расплавленной магмы. Но вот уже на глубине 3 тысяч километров мантия становится твердой, или, как в шутку говорят геологи, "керамической", поскольку состоит она в основном из кислорода, кремния и магния с небольшими добавками железа.

Интересно, что и ядро имеет похожее строение — его верхний слой представляет собой жидкость, а под ним, то есть в самом центре планеты, находится твердая часть ядра. Но вот химический состав этого слоя Земли уже совсем иной — почти все ядро состоит из железа и близких к нему металлов. Возникает вполне закономерный вопрос — каким же образом на заре формирования нашей планеты почти все железо умудрилось собраться в ядре? Ведь через твердую "керамическую" мантию, которая составляет большую часть объема нашей планеты, этот элемент никак не мог просочиться!

Это подтверждается многочисленными лабораторными экспериментами со смесями силикатных минералов и железа. Последнее всегда находится в породе в виде крошечных изолированных образований, будучи запертым в ловушку на стыках между крупинками минералов, выйти из которой оно не в состоянии при обычных температуре и давлении. Поэтому ученым ничего не оставалось делать, как предположить, что массовое "опускание" железа в центр нашей планеты было возможно только на ранних этапах развития Земли, когда температура на ней была настолько высока, что верхняя часть "керамической" мантии полностью расплавилась. Таким образом капли железа могли просачиваться через верхнюю мантию и собираться в ее основании, а затем, под действием силы тяжести, тонули дальше. Именно так в конечном счете и образовалось ядро.

До сих пор эта версия вертикальной стратификации Земли устраивала большинство ученых, однако не так давно среди них появились те, кто предложил пересмотреть данную модель. А началось все это после ряда исследований, которыми руководила профессор Венди Мао из Стэнфордского университета (США). Они занимались изучением процесса вытеснения железа из силикатов, который происходит на глубине 1 000 километров от поверхности Земли — в той части мантии, где она уже достаточно твердая.

Исследователи провели ряд экспериментов, во время которых ими было изучено поведение минералов в образцах, находившихся в условиях экстремального давления и температуры между кончиками кристаллов алмаза. В результате они обнаружили, что при увеличении давления в недрах мантии жидкое железо начинает смачивать поверхность крупиц силикатных минералов. И это приводит к тому, что в конце концов потоки расплавленного железа собираются в ручьи в твердой мантии (подобный процесс называется перколяция). Внимательно изучив условия прохождения данного процесса, ученые выяснили, что он может протекать даже тогда, когда мантия недостаточно горяча для формирования целого "океана" магмы, через который железо спокойно проскальзывает в ядро.

"Чтобы перколяция была эффективной, расплавленному железу надо проложить непрерывные каналы через твердь. Это считалось невозможным, но теперь мы знаем, что при определенных условиях, которые, как давно уже известно, существовали на планете, это может произойти", — комментирует результаты исследований ведущий автор работы профессор Мао.

Многие коллеги стенфордских геофизиков сразу же оценили значение их работы. "Новые данные, полученные группой профессора Мао, говорят о том, что формирование ядра не было простым, одноступенчатым событием. И этот сложный процесс, должно быть, оказал не менее сложное влияние на последующую химию Земли", — говорит доктор Джеффри Бромили из Эдинбургского университета (Великобритания).

По его мнению, данная работа поднимает важные вопросы о том, как начинается формирование ядра планет. Общепринятая теория гласит, что изучение ядер метеоритов и астероидов расскажет нам о таковом нашей собственной планеты, однако, как считает доктор Бромили, открытие, сделанное профессором Мао и ее коллегами, показало, что формирование каждого ядра большой планеты есть процесс уникальный. Ведь если выводы ученых верны, то это означает, что процесс погружения железа в ядро мог идти достаточно интенсивно и при остывании Земли — что невозможно на маленьких небесных телах, обладающих мантией меньшего веса и иного химического состава.

Впрочем, доктор Бромили предполагает, что на процесс формирования ядра могли влиять и другие факторы. Например, это могли быть столкновения Земли на ранних этапах своего развития с астероидами и другими небесными телами. Да и вообще, по его словам, у ученых, исследующих этот процесс, сейчас больше вопросов, чем ответов.

Читайте также: Кто разогревает земное ядро?

"Мы часто наблюдаем металлические ядра у тел значительно меньше Земли. Какой же в таком случае процесс воздействовал на образование ядер у тел, которые никогда не были настолько крупными, чтобы там имела место перколяция расплавов на большой глубине?" — вопрошает Бромили. Увы, ответа на этот вопрос пока нет. Но не исключено, что в ближайшем будущем ответ все-таки появится…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"