Этот сдвиг не только предотвратил разрушение защитного магнитного поля, но и перезарядил его
Внутреннее ядро Земли затвердело где-то после 565 миллионов лет назад - как раз вовремя, чтобы не только спасти защитное магнитное поле планеты от неминуемого коллапса, но и запустить его в нынешнюю мощную фазу, новое исследование предполагает.
Вывод, опубликованный 28 января в журнале Nature Geoscience, подтверждает идею, ранее высказанную с помощью моделирования, о том, что внутреннее ядро Земли относительно молодо. Это также дает представление о том, как и как быстро Земля теряет тепло с момента своего образования 4,54 миллиарда лет назад, что является ключом к пониманию не только образования магнитного щита планеты, но и конвекции в мантии и тектонике плит.
«У нас не так много реальных ориентиров для тепловой истории нашей планеты», - говорит Питер Олсон, геофизик из Университета Джона Хопкинса, который не участвовал в новом исследовании. «Мы знаем, что внутри было жарче, чем сегодня, потому что все планеты теряют тепло. Но мы не знаем, какой была средняя температура миллиард лет назад по сравнению с сегодняшней». По словам Олсона, определение того, когда железо во внутреннем ядре начало кристаллизоваться, может дать представление о том, насколько горячей была внутренняя часть планеты в то время.
Железо-никелевое ядро планеты состоит из двух слоев: твердого внутреннего ядра и расплавленного внешнего ядра. Когда образовалось это твердое внутреннее ядро, остается давней загадкой (СН: 19 сентября 2015 г., стр. 18). «Предполагаемый возраст варьируется от 500 миллионов лет назад до более 2,5 миллиардов лет», - говорит соавтор Джон Тардуно, геофизик из Рочестерского университета в Нью-Йорке.
Взаимодействие двух слоев приводит в действие геодинамо, циркуляцию богатой железом жидкости, питающей магнитное поле. Это поле, окружающее планету, защищает Землю от ударов солнечного ветра, постоянного потока заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. По мере охлаждения и кристаллизации внутреннего ядра состав оставшейся жидкости меняется; более плавучая жидкость поднимается вверх, как шлейф, в то время как охлаждающие кристаллы тонут. Эта самоподдерживающаяся циркуляция, управляемая плотностью, создает сильное магнитное поле с двумя противоположными полюсами, северным и южным, или полярностью.
Следы магнетизма в древних горных породах позволяют предположить, что магнитное поле Земли существовало еще 4,2 миллиарда лет назад. Это более раннее поле, вероятно, было создано теплом внутри планеты, управляющим циркуляцией в расплавленном ядре. Но со временем, как показывают компьютерные симуляции, циркуляция под воздействием тепла сама по себе не стала бы достаточно сильной, чтобы продолжать питать сильное магнитное поле. Вместо этого поле начало отключаться, о чем свидетельствовали горные записи ослаблением интенсивности и быстрой сменой полярности в течение миллионов лет. А затем, в какой-то момент, внутреннее ядро Земли начало кристаллизоваться, запустив геодинамо и создав новое сильное магнитное поле.
Чувствую себя стабильно
Тепловая конвекция в горячем расплавленном ядре Земли (оранжевый цвет) приводила в действие магнитное поле планеты в течение миллиардов лет. Новые данные свидетельствуют о том, что примерно 565 миллионов лет назад это поле было слабым и все более нестабильным (слева). Через некоторое время после этого внутреннее ядро начало затвердевать (красный цвет справа), что стабилизировало и усилило поле, придав ему относительно постоянные магнитные северный и южный полюса (справа).
Теперь ученые думают, что нашли доказательства того, когда произошел этот пробой магнитного поля. Исследователи под руководством геофизика Ричарда Боно, работающего в настоящее время в Ливерпульском университете в Англии, изучили магнитные включения в толще горных пород в Квебеке, Канада, возраст которых составляет около 565 миллионов лет. Исследователи сообщают, что анализ включений - игольчатых зерен, богатых железом, которые совпадают с ориентацией магнитного поля, существовавшего во время образования горных пород, - показывает, что магнитное поле планеты в то время было чрезвычайно слабым.
«Эти значения палеонапряженности были в 10 раз меньше, чем нынешнее магнитное поле, ниже, чем все, что наблюдалось ранее», - говорит Тардуно. «Это говорит о том, что в ядре происходит что-то фундаментальное».
В сочетании с предыдущими исследованиями, которые обнаружили, что магнитное поле также быстро меняло полярность в течение этого периода времени, новый результат указывает на то, что поле Земли могло быть на грани коллапса около 565 миллионов лет назад. Это говорит о том, что внутреннее ядро еще не затвердело. К счастью для жизни на Земле, в конце концов это произошло.
«По-видимому, для нашей планеты все сложилось хорошо», - говорит Тардуно. «Но это не обязательно означает, что так и должно быть».
Новое открытие «потенциально очень важно», говорит Олсон. Поскольку породы, несущие магнитные частицы, охлаждались не мгновенно, а в течение длительного времени, данные представляют собой среднюю напряженность поля за период примерно в 100 000 лет. Это означает, что ученые не просто сделали моментальный снимок флуктуирующего поля во времени, но нашли истинный, устойчивый сигнал, говорит он. Компьютерное моделирование показало, что фаза слабого поля могла длиться намного дольше, примерно от 900 до 600 миллионов лет назад. Дополнительные данные палеоинтенсивности за этот период времени, а также из других мест помогут подтвердить, что наблюдаемая слабая фаза действительно сигнализирует о последних муках этого поля до внутреннего ядра.
Питер Дрисколл, геофизик из Института науки Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, был одним из теоретиков, которые оценили, как долго могла длиться слабая фаза. Дрисколл, чей комментарий сопровождает исследование в Nature Geoscience, отмечает, что молодое твердое внутреннее ядро также выдвигает на первый план затяжные загадки о том, как быстро Земля остыла. Например, «если ядро быстро остывает, это означает, что в недавнем прошлом оно было очень горячим, а нижняя мантия в недавнем прошлом была очень горячей» - настолько горячей, что и то, и другое было расплавлено всего 1-2 миллиарда лет назад.. «Мы совершенно не видим этого в рок-записях».
Дрисколл добавляет, что он надеется, что новое исследование привлечет внимание к вопиющему пробелу в палеомагнитных данных того времени. «Здесь гораздо больше времени, которое мы могли бы заполнить».