Ο πυρήνας της Γης

Πριν από έναν αιώνα, η επιστήμη μόλις γνώριζε ότι η Γη είχε ακόμη έναν πυρήνα. Σήμερα υπονοούμε τον πυρήνα και τις συνδέσεις του με τον υπόλοιπο πλανήτη. Πράγματι, είμαστε στην αρχή μιας χρυσής εποχής των βασικών μελετών.

Γνωρίζαμε από τη δεκαετία του 1890, από τον τρόπο που η Γη αποκρίνεται στη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, ότι ο πλανήτης έχει πυκνό πυρήνα, ίσως σίδηρο. Το 1906 ο Richard Dixon Oldham διαπίστωσε ότι τα σεισμικά κύματα κινούνται μέσα από το κέντρο της Γης πολύ πιο αργά από ό, τι μέσω του μανδύα γύρω από αυτό - επειδή το κέντρο είναι υγρό.

Το 1936 ο Inge Lehmann ανέφερε ότι κάτι αντανακλά σεισμικά κύματα από τον πυρήνα. Έγινε σαφές ότι ο πυρήνας αποτελείται από ένα παχύ κέλυφος από υγρό σίδηρο - τον εξωτερικό πυρήνα - με μικρότερο, σταθερό εσωτερικό πυρήνα στο κέντρο του. Είναι σταθερό γιατί σε αυτό το βάθος η υψηλή πίεση ξεπερνά την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας.

Το 2002, οι Miaki Ishii και Adam Dziewonski του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ δημοσίευσαν στοιχεία για έναν "εσώτατο εσωτερικό πυρήνα" περίπου 600 χιλιομέτρων. Το 2008 Xiadong Song και Xinlei Sun πρότειναν ένα διαφορετικό εσωτερικό πυρήνα περίπου 1200 χλμ. Απέναντι. Δεν μπορούν να γίνουν πολλά από αυτές τις ιδέες μέχρι να επιβεβαιώσουν οι άλλοι το έργο.

Ό, τι μαθαίνουμε εγείρει νέες ερωτήσεις. Ο υγρός σίδηρος πρέπει να είναι η πηγή του γεωμαγνητικού πεδίου της Γης - το γεωδυναμωτό - αλλά πώς λειτουργεί; Γιατί το geodynamo flip, αλλάζοντας μαγνητικό βορρά και νότια, πάνω από τη γεωλογική στιγμή; Τι συμβαίνει στην κορυφή του πυρήνα, όπου το τετηγμένο μέταλλο συναντά το βραχώδες μανδύα; Οι απαντήσεις άρχισαν να εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1990.

Κύριο εργαλείο μας για την έρευνα πυρήνα ήταν τα σεισμικά κύματα, ειδικά εκείνα από μεγάλες εκδηλώσεις όπως το 2004 σεισμός στη Σουμάτρα. Οι "κανονικοί τρόποι", που κάνουν τον πλανήτη παλλόμενο με τις κινήσεις που βλέπετε σε μια μεγάλη φυσαλίδα σαπουνιού, είναι χρήσιμες για την εξέταση μεγάλης βαθιάς δομής.

Αλλά ένα μεγάλο πρόβλημα είναι μη μοναδικότητα-Ένα δεδομένο κομμάτι σεισμικών αποδείξεων μπορεί να ερμηνευτεί με περισσότερους από έναν τρόπους. Ένα κύμα που διεισδύει στον πυρήνα διασχίζει επίσης το φλοιό τουλάχιστον μία φορά και το μανδύα τουλάχιστον δύο φορές, έτσι ένα χαρακτηριστικό σε ένα σεισμογράφημα μπορεί να προέρχεται από πολλά πιθανά μέρη. Πολλά διαφορετικά στοιχεία δεδομένων πρέπει να ελέγχονται διαδοχικά.

Το εμπόδιο της μη-ομοιότητας εξαφανίστηκε κάπως καθώς ξεκινήσαμε να προσομοιώνουμε τη βαθιά Γη στους υπολογιστές ρεαλιστικούς αριθμούς και καθώς αναπαράγαμε τις υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις στο εργαστήριο με το διαμάντι-αμόνι κύτταρο. Αυτά τα εργαλεία (και μελέτες μήκους ημέρας) μας άφησαν να κοιτάξουμε μέσα από τα στρώματα της Γης μέχρι που επιτέλους μπορούμε να μελετήσουμε τον πυρήνα.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι ολόκληρη η Γη κατά μέσο όρο αποτελείται από το ίδιο μείγμα υλικών που βλέπουμε αλλού στο ηλιακό σύστημα, ο πυρήνας πρέπει να είναι μέταλλο σιδήρου μαζί με κάποιο νικέλιο. Αλλά είναι λιγότερο πυκνό από τον καθαρό σίδηρο, έτσι περίπου το 10% του πυρήνα πρέπει να είναι κάτι ελαφρύτερο.

Ιδέες για το τι αυτό το ελαφρύ συστατικό έχει εξελιχθεί. Το θείο και το οξυγόνο υπήρξαν υποψήφιοι εδώ και πολύ καιρό, και ακόμη και το υδρογόνο έχει ληφθεί υπόψη. Τον τελευταίο καιρό, παρατηρήθηκε αύξηση του ενδιαφέροντος για το πυρίτιο, καθώς τα πειράματα και οι προσομοιώσεις υψηλής πίεσης υποδηλώνουν ότι μπορεί να διαλυθεί σε λιωμένο σίδηρο καλύτερα από ό, τι πιστεύαμε. Ίσως περισσότερα από ένα από αυτά να είναι κάτω εκεί. Χρειάζεται πολύ έξυπνος συλλογισμός και αβέβαιες υποθέσεις για να προτείνει κάποια συγκεκριμένη συνταγή - αλλά το θέμα δεν είναι πέρα ​​από κάθε εικασία.

Οι σεισμολόγοι συνεχίζουν να δοκιμάζουν τον εσωτερικό πυρήνα. Ο πυρήνας ανατολικό ημισφαίριο φαίνεται να διαφέρει από το δυτικό ημισφαίριο στον τρόπο που ευθυγραμμίζονται οι κρύσταλλοι σιδήρου. Το πρόβλημα είναι δύσκολο να επιτεθεί επειδή τα σεισμικά κύματα πρέπει να πηγαίνουν λίγο πολύ κατευθείαν από ένα σεισμό, ακριβώς μέσα από το κέντρο της Γης, σε ένα σεισμογράφο. Τα γεγονότα και τα μηχανήματα που τυχαίνει να είναι σωστά είναι σπάνια. Και τα αποτελέσματα είναι λεπτές.

Το 1996, το Xiadong Song και ο Paul Richards επιβεβαίωσαν την πρόβλεψη ότι ο εσωτερικός πυρήνας περιστρέφεται ελαφρώς ταχύτερα από ό, τι η υπόλοιπη Γη. Οι μαγνητικές δυνάμεις του γεωδυναμικού φαίνεται να είναι υπεύθυνες.

Πάνω από γεωλογικός χρόνος, ο εσωτερικός πυρήνας αναπτύσσεται καθώς ολόκληρη η Γη ψύχεται. Στην κορυφή του εξωτερικού πυρήνα, οι κρύσταλλοι σιδήρου παγώνουν και βροχή στον εσωτερικό πυρήνα. Στη βάση του εξωτερικού πυρήνα, ο σίδηρος παγώνει υπό πίεση, παίρνοντας μεγάλο μέρος του νικελίου μαζί του. Ο υπόλοιπος υγρός σίδηρος είναι ελαφρύτερος και ανεβαίνει. Αυτές οι κινήσεις ανόδου και πτώσης, που αλληλεπιδρούν με τις γεωμαγνητικές δυνάμεις, αναδεύουν ολόκληρο τον εξωτερικό πυρήνα με ταχύτητα 20 χιλιομέτρων το χρόνο περίπου.

Ο πλανήτης Υδράργυρος έχει επίσης ένα μεγάλο σιδερένιο πυρήνα και ένα μαγνητικό πεδίο, αν και πολύ πιο αδύναμη από τη Γη. Πρόσφατες έρευνες υποδηλώνουν ότι ο πυρήνας του Υδραργύρου είναι πλούσιος σε θείο και ότι μια παρόμοια διαδικασία ψύξης το ανακάμπτει, με την πτώση του «χιονιού σιδήρου» και την αύξηση του εμπλουτισμένου με θείο υγρού.

Βασικές μελέτες αυξήθηκαν το 1996 όταν τα μοντέλα ηλεκτρονικών υπολογιστών από τους Gary Glatzmaier και Paul Roberts ανέφεραν για πρώτη φορά τη συμπεριφορά του geodynamo, συμπεριλαμβανομένων αυθόρμητων αντιστροφών. Το Χόλιγουντ έδωσε στο Glatzmaier ένα απροσδόκητο ακροατήριο όταν χρησιμοποίησε τα κινούμενα σχέδια του στην ταινία δράσης Ο πυρήνας.

Το πρόσφατο εργαστηριακό εργαστήριο υψηλής πίεσης από τον Raymond Jeanloz, τον Ho-Kwang (David) Mao και άλλους μας έδωσε συμβουλές για το όριο πυρήνα-μανδύα, όπου ο υγρός σίδηρος αλληλεπιδρά με πυριτικό βράχο. Τα πειράματα δείχνουν ότι τα υλικά του πυρήνα και του μανδύα υφίστανται ισχυρές χημικές αντιδράσεις. Αυτή είναι η περιοχή όπου προέρχονται πολλοί μανδύα, που ανέρχονται για να σχηματίσουν μέρη όπως η αλυσίδα των νησιών της Χαβάης, το Yellowstone, η Ισλανδία και άλλα χαρακτηριστικά επιφάνειας. Όσο περισσότερο μαθαίνουμε για τον πυρήνα, τόσο πιο κοντά γίνεται.

ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ: Η μικρή, στενή ομάδα ειδικών πυρήνα ανήκουν στην ομάδα SEDI (μελέτη της βαθιάς εσωτερικής γης) και διαβάζουν Διάλογος βαθιάς γης ενημερωτικό δελτίο. Και χρησιμοποιούν την ιστοσελίδα του Ειδικού Γραφείου για τον πυρήνα ως κεντρικό αποθετήριο για γεωφυσικά και βιβλιογραφικά δεδομένα.