На 1000 °C ниже: ученые переоценили температуру ядра Земли

Ядро Земли может быть холоднее примерно на 1000 °C, 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, величиной с Луну, твердое. Магнитное поле планеты порождается движением жидкого металла во внешнем ядре и существует как минимум 4 миллиарда лет. Сегодня это динамо поддерживается главным образом за счет медленного застывания внутреннего ядра, которое выделяет тепло и легкие элементы, поднимающиеся в жидкий металл над ним. Однако по некоторым моделям охлаждения Земли внутреннее ядро начало твердеть лишь чуть более полумиллиарда лет назад. Отсюда следует так называемый «парадокс нового ядра» — а что же тогда раньше поддерживало динамо?

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

Новый способ нагрева и измерений

Уолтер и его коллеги потратили более пяти лет на разработку нового способа таких измерений. Как и в прежних опытах, они сдавливали крошечные образцы железа между наконечниками алмазных наковален до давлений почти в 2 миллиона атмосфер. Но вместо нагрева железа лазером экспериментаторы подавали электрические импульсы с интервалом в микросекунды, что давало лучший контроль. И вместо того чтобы искать признаки плавления в самом железе, они отслеживали ключевую остановку роста температуры — тот момент, когда подводимая энергия уходит на плавление железа, а не на его разогрев.

Как показали эти опыты, при давлении на границе внутреннего ядра, чистое железо должно плавиться при температуре от 4420 до 5220 кельвинов — что более чем на 1000 °C ниже прежних оценок.

Бо́льшая часть этой неопределенности связана с экстраполяцией данных, полученных при давлении внешнего ядра, на условия у границы внутреннего ядра, обзясняет 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, подставили в модели тепловой эволюции Земли. Оказалось, что одного лишь охлаждения ядра могло быть достаточно для поддержания магнитного динамо на протяжении большей части истории Земли — вплоть до того момента чуть более полумиллиарда лет назад, когда внутреннее ядро начало затвердевать, говорит Уолтер: «Наши цифры делают термически управляемое геодинамо более вероятным».

Остатки другой планеты внутри Земли — теперь тоже под сомнением

Из этих результатов следует еще один важный вывод: граница между ядром и мантией Земли тоже холоднее, чем считалось. Это затруднит плавление пород в этой зоне и может поставить под сомнение теории, согласно которым гигантские скопления на границе с ядром, выявляемые по аномально медленному прохождению сейсмических волн сквозь недра Земли, состоят из расплавленной породы, отмечает Уолтер.

Эта работа возобновляет дискуссию о температуре ядра, которая считалась закрытой, заметил физик-минералог Дарио Альфе, из Университетского колледжа Лондона, чьи работы во многом способствовали нынешней общепринятой точке зрения. Сам же он настроен скептически.