Хотя мы уже отправили зонды на миллиарды километров в межзвёздное пространство, люди совсем немного углубились под поверхность нашей собственной планеты, не проникнув даже через тонкую земную кору.
Информация о глубинных слоях Земли поступает в основном из геофизики и является очень ценной. Мы знаем, что она состоит из твёрдой коры, каменной мантии, жидкого внешнего ядра и твёрдого внутреннего ядра. Но что именно происходит в каждом слое — и между ними — остаётся загадкой. В новых исследованиях мы используем магнетизм нашей планеты, чтобы пролить свет на наиболее значимую конструкцию во внутренней части Земли: границу между ядром и мантией.
Примерно в 3000 км под нашими ногами внешнее ядро Земли, непостижимо глубокий океан расплавленной железосодержащей смеси, бесконечно бурлит, создавая глобальное магнитное поле, простирающееся далеко в космос. Поддержание этого «геодинамо» и созданного им в течение нескольких миллиардов лет силового поля планеты (защищающего Землю от вредного излучения) требует огромного количества энергии.
Это тепло появилось в ядре во время формирования Земли. Но оно приводит в действие геодинамо, распространяясь изнутри наружу, перемещаясь к более холодной твёрдой породе, плавающей над мантией. Без этого массивного внутреннего переноса тепла от ядра к мантии и, в конечном итоге, через кору к поверхности, Земля была бы похожа на наших ближайших соседей Марс и Венеру: она была бы мёртвой с магнитной точки зрения.
Внезапные блобы
Карты, показывают, как быстро сейсмические волны (колебания акустической энергии), проходящие через каменную мантию Земли, изменяются в её нижней части, непосредственно над ядром. Особенно примечательны две обширные области вблизи экватора под Африкой и Тихим океаном, где сейсмические волны распространяются медленнее, чем в других местах.
Что делает эти «большие базовые структуры нижней мантии» [big lower-mantle basal structures, blobs], или «блобы» [blob по-английски «пузырь» / прим. перев.], особенными, пока неясно. Они состоят из твёрдой породы, похожей на окружающую мантию, но могут отличаться по температуре, и/или составу.
Сильные колебания температуры в основании мантии, как можно ожидать, влияют на лежащее под ней жидкое ядро и магнитное поле, которое там генерируется. Температура твёрдой мантии изменяется, а её движение происходит с исключительно низкой скоростью (миллиметры в год), поэтому любые магнитные особенности, вызванные сильными температурными контрастами, должны сохраняться в течение миллионов лет.
От горных пород к суперкомпьютерам
Наше исследование приводит новые доказательства того, что эти «блобы» горячее, чем окружающая их нижняя мантия. И это оказало заметное влияние на магнитное поле Земли, по крайней мере, в течение последних нескольких сотен миллионов лет.
Когда магматические породы, представляющие собой недавно затвердевшую магму, остывают на поверхности Земли под воздействием её магнитного поля, они приобретают постоянный магнетизм, который выравнивается по направлению этого поля в данный момент времени и в данном месте.
Уже хорошо известно, что это направление меняется в зависимости от широты. Однако мы наблюдали, что магнитные направления, зафиксированные в горных породах возрастом до 250 миллионов лет, также, по-видимому, зависели от того, где эти породы образовались по долготе. Этот эффект был особенно заметным в низких широтах. Поэтому мы задались вопросом, не могут ли «блобы» быть причиной этого.
Решающим фактором стало сравнение этих магнитных наблюдений с симуляциями геодинамо, запущенными на суперкомпьютере. Один набор был запущен с предположением, что скорость потока тепла от ядра к мантии одинакова везде. Они либо показали очень небольшую тенденцию к изменению магнитного поля по долготе, либо поле, которое они создавали, сводилось к постоянному хаотическому состоянию, что также не соответствует наблюдениям.
Напротив, когда мы поместили на поверхность ядра структуру, включающую сильные колебания количества тепла, поглощаемого мантией, магнитные поля вели себя по-другому. Наиболее показательно, что при допущении, что скорость потока тепла в «блобах» была примерно в два раза ниже, чем в других, более холодных частях мантии, магнитные поля, созданные в симуляциях, содержали продольные структуры, напоминающие записи из древних пород.
Ещё одним открытием было то, что эти поля были менее склонны к коллапсу. Таким образом, добавление «блобов» позволило нам воспроизвести наблюдаемое стабильное поведение магнитного поля Земли в более широком диапазоне.
По-видимому, два горячих «блоба» изолируют жидкий металл под ними, предотвращая потерю тепла, которая в противном случае привела бы к тепловому сжатию жидкости и её оседанию в ядре. Поскольку именно поток жидкости в ядре генерирует большее магнитное поле, эти застойные скопления металла не участвуют в процессе геодинамо.
Как мобильный телефон может потерять сигнал, если его поместить в металлический ящик, так и эти неподвижные области проводящей жидкости действуют как «экран», заслоняющий магнитное поле, создаваемое циркулирующей жидкостью ниже. Таким образом, огромные «блобы» привели к появлению характерных продольных изменений в форме и изменчивости магнитного поля Земли. И это нашло отражение в том, что было зафиксировано в горных породах, образовавшихся в низких широтах.
В большинстве случаев форма магнитного поля Земли очень похожа на форму, которая была бы создана стержневым магнитом, выровненным по оси вращения планеты. Именно это заставляет магнитный компас в большинстве случаев указывать почти на север в большинстве мест на поверхности Земли.
В геологической истории многократно происходили коллапсы мантии в слабые многополярные состояния, но они довольно редки, и поле, похоже, довольно быстро восстанавливалось после этого. По крайней мере, в симуляциях «блобы» способствуют этому.
Таким образом, хотя нам ещё многое предстоит узнать о том, что это за «блобы» и как они возникли, возможно, мы должны быть им очень благодарны за то, что они помогают поддерживать магнитное поле стабильным и полезным для человечества.
