Środek Ziemi jest jak masło. Naukowcy mocno zaskoczeni

Atomy żelaza tworzące stałe jądro wewnętrzne Ziemi są ściśle powiązane ze sobą pod wpływem astronomicznie wysokiego ciśnienia – najwyższego na planecie. Naukowcy odkryli jednak, że nawet tutaj jest miejsce na swobodę ruchów.

Badanie prowadzone przez Uniwersytet Teksasu w Austin i współpracowników w Chinach wykazało, że pewne grupy atomów żelaza w wewnętrznym jądrze Ziemi są w stanie szybko się poruszać, zmieniając swoje miejsce w ułamku sekundy. Badania mogą pomóc w wyjaśnieniu wielu intrygujących właściwości jądra wewnętrznego, które od dawna irytowały naukowców.

Zacznijmy od szybkiego przypomnienia ważnych informacji. Jądro Ziemi jest najbardziej centralną częścią naszej planety i przez to również najtrudniejszą do zbadania. Za pomocą kilku metod pośrednich, takich jak badanie rozchodzenia się fal sejsmicznych powstałych przy trzęsieniach ziemi, udało się ustalić, że jądro Ziemi składa się z dwóch części: zewnętrznej, która jest płynna, i wewnętrznej, która jest stała. Obie części tworzy głównie stop żelaza i niklu, z domieszką innych pierwiastków. Temperatura w jądrze Ziemi wynosi około 5500-6500 stopni Celsjusza, a ciśnienie około 13,5 mln atmosfer.

Jedną z największych zagadek naukowych jest to, jak Ziemia utworzyła swoje własne pole magnetyczne, które chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym i pozwala nam korzystać z kompasów. Wiadomo, że pole magnetyczne Ziemi jest wywołane przez ruchy ciekłego, przewodzącego materiału jądra zewnętrznego w polu elektromagnetycznym przestrzeni okołoziemskiej. Ruchy te są spowodowane przez konwekcję cieplną (unoszenie się gorącej materii i opadanie chłodnej) oraz efekt Coriolisa (zmiana kierunku ruchu ciała poruszającego się na obrotowej planecie). W ten sposób powstają wielkoskalowe wiry substancji przewodzącej prąd, które tworzą i wzmacniają pole magnetyczne Ziemi w zjawisku zwanym geodynamem.

Więcej zaskakujących informacji o Ziemi znajdziesz na Spider`s Web:

Ale co z jądrem wewnętrznym? Czy ono też ma jakiś wpływ na pole magnetyczne Ziemi? Naukowcy od dawna podejrzewali, że tak. W 1996 r. odkryto, że jądro wewnętrzne obraca się nieco szybciej niż reszta planety. To sugerowało, że jądro wewnętrzne nie jest jednym wielkim kawałkiem żelaza, ale ma jakąś strukturę i dynamikę. W 2005 r. stwierdzono, że jądro wewnętrzne wykazuje anizotropię, czyli różnicę właściwości fizycznych w zależności od kierunku. Fale sejsmiczne poruszające się wzdłuż osi obrotu Ziemi są o 3 proc. szybsze niż poruszające się w płaszczyźnie równikowej. To oznaczało, że kryształy żelaza w jądrze wewnętrznym są ułożone w pewien sposób.

Najnowsze badania chińskich i amerykańskich naukowców poszły jeszcze dalej. Za pomocą symulacji komputerowych i uczenia maszynowego odkryli oni, że w jądrze wewnętrznym dochodzi do dynamicznych ruchów atomów żelaza. Ruchy te są spowodowane przez różnice temperatury i ciśnienia między środkiem a obrzeżami jądra. Atomy żelaza poruszają się razem lub osobno, tworząc grupy o różnej gęstości i orientacji. Te zmiany struktury wpływają na prędkość i kierunek fal sejsmicznych, co pozwala naukowcom je wykryć.

Naukowcy nie mają możliwości bezpośredniego pobrania próbek wewnętrznego jądra Ziemi ze względu na panujące tam niezwykle wysokie temperatury i ciśnienia. Dlatego badacze odtworzyli je w miniaturze w laboratorium, biorąc małą żelazną płytkę i strzelając do niej szybko poruszającym się pociskiem. Dane dotyczące temperatury, ciśnienia i prędkości zebrane podczas eksperymentu zostały następnie wprowadzone do komputerowego modelu atomów w jądrze wewnętrznym opartego na uczeniu maszynowym.

Naukowcy uważają, że atomy żelaza w jądrze wewnętrznym są ułożone w powtarzającą się konfigurację sześciokątną. Większość modeli komputerowych przedstawiających dynamikę sieci żelaza w jądrze wewnętrznym pokazuje tylko niewielką liczbę atomów – zwykle mniej niż sto. Jednak korzystając z algorytmu sztucznej inteligencji, badacze byli w stanie znacząco wzmocnić środowisko atomowe, tworząc superkomórkę złożoną z około 30 000 atomów, która pozwalała na bardziej wiarygodne przewidywanie właściwości żelaza.

Naukowcy stwierdzili, że ruch atomów może wyjaśnić, dlaczego pomiary sejsmiczne jądra wewnętrznego pokazują, że środowisko jest znacznie bardziej miękkie i plastyczne, niż można by się spodziewać przy takich ciśnieniach.

Co to oznacza dla pola magnetycznego Ziemi? Naukowcy spekulują, że ruchy atomów żelaza w jądrze wewnętrznym mogą być źródłem pierwotnego pola magnetycznego, które jest następnie wzmacniane przez ruchy jądra zewnętrznego. Możliwe też, że ruchy te są odpowiedzialne za zmiany pola magnetycznego, czyli jego powolne osłabianie, przesuwanie się biegunów i odwracanie się kierunku. Te zmiany mają duże znaczenie dla życia na Ziemi, ponieważ mogą wpływać na klimat, komunikację i nawigację.

Nie ma jednak powodu do paniki. Zmiany pola magnetycznego Ziemi zachodzą bardzo wolno i nie są zagrożeniem dla naszego istnienia. Nie oznaczają też, że Ziemia jest żywym organizmem, choć na pewno jest bardzo ciekawym i złożonym układem. A co się dzieje w jądrze wewnętrznym Ziemi? To nadal pozostaje tajemnicą, którą naukowcy starają się rozwikłać.