На 1000 °C ниже: ученые переоценили температуру ядра Земли

Ядро Земли может быть примерно на 1000 °C холоднее, чем принято считать – к такому выводу ученые пришли на основе результатов лабораторных экспериментов. Их представил петролог Майкл Уолтер из Института Карнеги на конференции Гольдшмидта, пишет Science.

Ядро Земли размером с Марс состоит в основном из железа, причем внешнее ядро ​​расплавлено, а внутреннее ядро ​​размером с Луну твердое. Магнитное поле планеты создается движением жидкого металла во внешнем ядре и существует уже не менее 4 миллиардов лет. Сегодня это динамо поддерживается главным образом за счет медленного затвердевания внутреннего ядра, которое выделяет тепло и легкие элементы, которые поднимаются в жидкий металл над ним. Однако, согласно некоторым моделям охлаждения Земли, внутреннее ядро ​​начало затвердевать лишь немногим более полумиллиарда лет назад. Это приводит к так называемому «парадоксу нового ядра» — что же тогда поддерживало динамо раньше?

Ответ зависит от условий в недрах планеты. Температура внутреннего ядра должна быть такой, чтобы оно не стало жидким в условиях чудовищного давления. Не имея возможности измерить это напрямую, ученые воспроизводят экстремальные условия центра Земли в лаборатории. Большинство таких экспериментальных оценок сходятся на уровнях выше 6000 К.

Новый способ нагрева и измерения

Уолтер и его коллеги потратили более пяти лет на разработку нового способа проведения этих измерений. Как и в предыдущих экспериментах, они сжимали крошечные образцы железа между кончиками алмазных наковальнь до давления почти в 2 миллиона атмосфер. Но вместо того, чтобы нагревать утюг лазером, экспериментаторы подавали электрические импульсы с микросекундными интервалами, что обеспечивало лучший контроль. И вместо того, чтобы искать признаки плавления в самом утюге, они искали ключевую точку остановки повышения температуры — точку, в которой потребляемая энергия используется для плавления утюга, а не для его нагрева.

Как показали эти эксперименты, при давлении на границе внутреннего ядра чистое железо должно плавиться при температуре от 4420 до 5220 Кельвинов – что более чем на 1000 °С ниже предыдущих оценок.

Большая часть этой неопределенности возникает из-за экстраполяции данных о давлении внешнего ядра на условия вблизи внутренней границы ядра, объясняет Уолтер. Поправка на легкие элементы, присутствующие в земном ядре, делает оценку еще ниже, до центрального значения 4284 Кельвина.

Эти температуры, а также оценки теплопроводности железа при таких давлениях были подставлены в модели тепловой эволюции Земли. Оказывается, одного только охлаждения ядра, возможно, было достаточно для поддержания магнитного динамо на протяжении большей части истории Земли — до чуть более полумиллиарда лет назад, когда внутреннее ядро ​​начало затвердевать, говорит Уолтер: «Наши цифры делают геодинамо с тепловым приводом более вероятным».

Остатки другой планеты внутри Земли теперь тоже под вопросом

Из этих результатов следует еще один важный вывод: граница между ядром и мантией Земли также холоднее, чем предполагалось. По словам Уолтера, это затруднит плавление пород в этой зоне и может поставить под сомнение теории о том, что гигантские скопления на границе ядра, выявленные по аномально медленному прохождению сейсмических волн через недра Земли, состоят из расплавленной породы.

Эта работа вновь открывает дискуссию о температуре ядра, которая считалась закрытой, отметил физик-минерал Дарио Алфе из Университетского колледжа Лондона, чья работа во многом способствовала нынешнему общепринятому мнению. Он сам настроен скептически.

"Трудно сказать, правда это или нет, без надлежащего анализа методов. Честно говоря, я посвятил этому вопросу достаточно времени, чтобы заново открыть его", - сказал он.