Nucleul interior al Pământului este un mister total. Iată cum începem să-l rezolvăm
Adânc sub picioarele noastre, la o adâncime uluitoare de peste 5.100 km, se află nucleul interior al Pământului – o minge solidă de fier și nichel care are un rol crucial în modelarea vieţii de la suprafață. De fapt, fără el, ar fi puțin probabil ca viaţa pe Pământ să existe.
Cu toate acestea, în ciuda importanței sale, este un puzzle cum s-a format și cum s-a dezvoltat nucleul interior al Pământului. Nici nu știm câți ani are. Din fericire, fizica mineralelor ne aduce mai aproape de rezolvarea misterului.
Nucleul interior este responsabil pentru câmpul magnetic al Pământului, care acționează ca un scut, protejându-ne de radiațiile solare dăunătoare. Se crede că acest câmp magnetic a avut un rol important pentru crearea condițiilor care au permis vieții să prospere cu miliarde de ani în urmă.
Miezul interior al Pământului a fost cândva lichid, dar a devenit solid în timp. Pe măsură ce Pământul se răcește treptat, miezul interior se extinde spre exterior, în timp ce lichidul din jur, bogat în fier, „îngheață”. Acestea fiind spuse, este încă extrem de cald, cel puțin 5.000 Kelvin (K) (4726,85°C) .
Acest proces de înghețare eliberează elemente, cum ar fi oxigenul și carbonul, care nu sunt compatibile cu starea într-un solid fierbinte. Acesta creează un lichid fierbinte, plutitor în partea de jos a miezului exterior. Lichidul se ridică în miezul exterior lichid și se amestecă cu acesta, ceea ce creează curenți electrici (prin „acțiunea dinamului”), care generează câmpul magnetic al Pământului.
Cristalizare criptică
Pentru a înțelege cum a evoluat câmpul magnetic al Pământului de-a lungul istoriei sale, geofizicienii folosesc modele care simulează starea termică a miezului și a mantalei.
Aceste modele ne ajută să înțelegem cum este distribuită și transferată căldura în interiorul Pământului. Ele presupun că miezul interior solid a apărut pentru prima dată atunci când lichidul s-a răcit până la punctul său de topire, considerând acesta ca fiind momentul în care a început să înghețe. Problema este că nu reflectă cu exactitate procesul de înghețare.
Nucleul interior al Pământului în galben deschis, cu lichid în miezul exterior și linii de câmp magnetic în negru. Credit: Alfred Wilson-Spencer , CC BY-SA
Prin urmare, oamenii de știință au explorat procesul de „suprarăcire”. Suprarăcirea este atunci când un lichid este răcit sub punctul său de îngheț fără a se transforma într-un solid. Acest lucru se întâmplă cu apa din atmosferă, care uneori atinge -30°C înainte de a forma grindină, și, de asemenea, cu fierul din miezul Pământului.
Calculele sugerează că sunt necesare până la 1.000 K de suprarăcire pentru a îngheța fierul pur în miezul Pământului. Având în vedere că conductivitatea miezului implică că se răcește cu o rată de 100-200K pe miliard de ani, acest lucru prezintă o provocare semnificativă. Acest nivel de suprarăcire implică faptul că miezul ar fi trebuit să fie sub punctul său de topire pentru întreaga sa istorie (1.000 până la 500 de milioane de ani), ceea ce prezintă complicații suplimentare.
Deoarece nu putem accesa fizic nucleul – oamenii au forat doar 12 km în Pământ – ne bazăm aproape în întregime pe seismologie pentru a înțelege interiorul planetei noastre.
Miezul interior a fost descoperit în 1936, iar dimensiunea sa (aproximativ 20% din raza Pământului) este una dintre cele mai bine constrânse proprietăți ale interiorului Pământului. Folosim aceste informații pentru a estima temperatura miezului, presupunând că granița dintre solid și lichid reprezintă intersecția dintre punctul de topire și temperatura miezului.
Această ipoteză ne ajută, de asemenea, să estimăm gradul maxim de suprarăcire care ar fi putut avea loc înainte ca miezul interior să înceapă să se formeze dintr-un nucleu interior și exterior combinat. Dacă miezul a înghețat relativ recent, atunci starea termică actuală la limita miezului interior-miez exterior indică cât de mult ar fi putut fi nucleul combinat sub punctul său de topire atunci când miezul interior a început să înghețe. Acest lucru sugerează că, cel mult, miezul ar fi putut fi suprarăcit cu aproximativ 400K .
Acesta valoare este cel puțin dublă față de ceea ce permite seismologia. Dacă miezul a fost suprarăcit cu 1.000 K înainte de îngheț, atunci miezul interior ar trebui să fie mult mai mare decât s-a observat. Alternativ, dacă 1.000K este necesar pentru înghețare și nu a fost atins niciodată, atunci miezul interior nu ar trebui să existe deloc. În mod clar, niciunul dintre scenarii nu este corect, deci care ar putea fi explicația?
Fizicienii au testat fier pur și alte amestecuri pentru a determina cât de multă suprarăcire este necesară pentru a iniția formarea miezului interior. Deși aceste studii nu au oferit încă un răspuns definitiv, există progrese promițătoare.
De exemplu, am aflat că structurile cristaline neașteptate și prezența carbonului pot afecta suprarăcirea. Aceste descoperiri sugerează că anumite substanțe chimice sau structuri care nu au fost luate în considerare anterior ar putea să nu necesite o suprarăcire atât de nerezonabil de mare. Dacă miezul ar putea îngheța la mai puțin de 400K de suprarăcire, poate explica prezența nucleului interior așa cum îl vedem astăzi.
Implicațiile neînțelegerii formării nucleului interior sunt de amploare. Estimările anterioare ale vârstei nucleului interior variază de la 500 la 1.000 de milioane de ani. Dar acestea nu țin cont de problema suprarăcirii. Chiar și o suprarăcire modestă de 100K ar putea însemna că miezul interior este cu câteva sute de milioane de ani mai tânăr decât se credea anterior.
Înțelegerea semnăturii formării nucleului interior în înregistrarea rocii paleomagnetice – o arhivă a câmpului magnetic al Pământului – este crucială pentru cei care studiază impactul radiației solare asupra extincțiilor în masă.
Până nu înțelegem mai bine istoria câmpului magnetic, nu putem determina pe deplin rolul acestuia în apariția condițiilor locuibile și a vieții.
Traducere după The Earth’s inner core is a total mystery – here’s how we’re starting to solve it