Внутри ядра Земли обнаружена загадочная структура

Примерно в 2 890 километрах под нашими ногами лежит гигантский шар жидкого металла – ядро планеты Земля. 

Ученые обнаружили, что вокруг экватора есть большая пончикообразная область ядра толщиной в несколько сотен километров, где сейсмические волны распространяются примерно на 2% медленнее, чем в остальной части ядра.

"Мы считаем, что эта область содержит больше легких элементов, таких как кремний и кислород, и может играть решающую роль в огромных потоках жидкого металла, протекающих через ядро и создающих магнитное поле Земли", – рассказал профессор, заведующий кафедрой геофизики Хрвое Ткальчич.

Волновое поле "кода-корреляции"

Большинство исследований сейсмических волн, созданных землетрясениями, рассматривают большие начальные волновые фронты, которые распространяются по всему миру в течение часа или около того после землетрясения.

 Исследователи поняли, что могут узнать что-то новое, изучая более позднюю, более слабую часть этих волн, известную как кода-раздел. 

В частности, они посмотрели, насколько похожими были коды, записанные различными сейсмическими детекторами, через несколько часов после их начала.

"С математической точки зрения, это сходство измеряется чем-то, что называется корреляцией.

 Вместе мы называем это сходство в поздних частях волн землетрясения "кода-корреляционным волновым полем".

Глядя на волновое поле кода-корреляции, мы обнаружили крошечные сигналы, исходящие от многочисленных ревербераторных волн, которые иначе мы бы не увидели. 

Поняв пути, которые прошли эти реверберационные волны, и сопоставив их с сигналами в кодокорреляционном волновом поле, мы выяснили, сколько времени им понадобилось для путешествия через планету. 

Затем мы сравнили то, что увидели на сейсмических детекторах, расположенных ближе к полюсам, с результатами, полученными ближе к экватору. 

В общем, волны, обнаруженные ближе к полюсам, распространялись быстрее, чем те, что были зафиксированы вблизи экватора", – пояснил профессор.

Специалисты испытали много компьютерных моделей и симуляций того, какие условия в ядре могли создать такие результаты. 

В конце концов, они обнаружили, что во внешнем ядре вокруг экватора должен существовать тор – пончикообразная область, где волны движутся медленнее.

Ранее сейсмологи не обнаруживали эту область. Однако использование кода-корреляционного волнового поля позволило "увидеть" внешнее ядро более детально и более равномерно.

Предыдущие исследования пришли к выводу, что волны движутся медленнее повсюду вокруг "потолка" внешнего ядра. 

Однако в новом исследовании специалисты показали, что область низких скоростей находится лишь вблизи экватора.

Внешнее ядро и геодинамо

Внешнее ядро Земли имеет радиус около 3 480 км. 

Оно состоит в основном из железа и никеля, с некоторыми следами более легких элементов, таких как кремний, кислород, сера, водород и углерод.

Нижняя часть внешнего ядра горячее верхней, и разница температур заставляет жидкий металл двигаться, как вода в кипящей на плите кастрюле. 

Этот процесс называется тепловой конвекцией, и специалисты думают, что постоянное движение должно означать, что весь материал во внешнем ядре достаточно хорошо перемешан и однороден.

Но если повсюду во внешнем ядре есть одинаковый материал, сейсмические волны также должны распространяться с примерно одинаковой скоростью. 

Так почему же эти волны замедляются в найденной пончикообразной области?

"Мы считаем, что в этой области должна быть более высокая концентрация легких элементов. Они могут высвобождаться из твердого внутреннего ядра Земли во внешнее ядро, где их плавучесть создает большую конвекцию. 

Почему легких элементов накапливается больше в области экваториального "пончика"? 

Ученые считают, что это можно объяснить, если в этом регионе больше тепла передается от внешнего ядра к каменистой мантии над ним", – объясняет Хрвое Ткальчич.

Во внешнем ядре происходит еще один процесс планетарного масштаба. Вращение Земли и небольшое твердое внутреннее ядро заставляют жидкость внешнего ядра организовываться в длинные вертикальные вихри, движущиеся с севера на юг, подобно гигантским фонтанам.

Турбулентное движение жидкого металла в этих вихрях создает "геодинамо", ответственное за создание и поддержание магнитного поля Земли. 

Это магнитное поле защищает планету от вредного солнечного ветра и радиации, делая возможным жизнь на поверхности.

Более детальный взгляд на состав внешнего ядра – включая недавно найденный "пончик" из более легких элементов – поможет нам лучше понять магнитное поле Земли. 

В частности, то, как поле меняет свою интенсивность и направление во времени, имеет решающее значение для жизни на Земле и потенциальной пригодности к жизни планет и экзопланет.