Вращение твердого внутреннего ядра Земли недавно замедлилось практически полностью и может измениться на противоположное. К такому выводу пришли ученые Пекинского университета. С чем это связано и какие последствия ждут планету — в материале РИА Новости.

 Тайны глубин

 Земля состоит из нескольких слоев. Мы живем на внешнем и самом тонком — земной коре. Под ней находится пластичная, но в целом твердая мантия. Затем — внешнее ядро из жидкого железа. И наконец в самом центре — внутреннее ядро, горячий плотный шар из твердого железа и никеля размером с Плутон.

Практически все данные о структуре планеты ученые получают из наблюдений за распространением сейсмических волн, возникающих при землетрясении. По отклонениям и изменению их скорости геофизики определяют границы между глубинными оболочками, а также судят о составе внутренних слоев.

 

Объемные сейсмические волны бывают продольными и поперечными. Первые по-разному ведут себя в твердой и жидкой среде, вторые в жидкости вообще не распространяются.

Предположение о том, что ядро неоднородно и состоит из двух оболочек — внешней расплавленной и внутренней твердой, впервые высказала в 1936-м датский геофизик Инге Леманн на основе анализа сейсмических волн от крупного землетрясения в южной части Тихого океана. Последующие геофизические исследования позволили сделать вывод, что верхняя кромка ядра находится на глубине 2900 километров, а на 5100 — действительно есть граница раздела двух сред.

Сдвиг вращения

Земля вращается с запада на восток, совершая полный оборот за 24 часа. Теоретически внутреннее ядро может двигаться чуть быстрее или медленнее, поскольку оно не соединено жестко с твердой мантией. Первые данные о его динамике получили в 1996-м американские геофизики из Колумбийского университета Сяодун Сон и Поль Ричардс.

 

Они исходили из того, что волны, отражающиеся от удаляющихся областей на поверхности ядра, должны достигать датчиков сейсмографов позже, чем от приближающихся. Измерения показали, что внутреннее ядро вращается примерно на один градус в год быстрее, чем остальная Земля, но скорость меняется.

В новой работе Сяодун Сон (теперь уже профессор Пекинского университета) и его коллега Йи Ян проанализировали траектории сейсмических волн от повторяющихся землетрясений в близких регионах с 1960-х до наших дней. Выяснилось, что с 2009-го различий по времени в прохождении волн практически нет. Значит, ядро остановилось. Возможно, это связано с предстоящим изменением направления его вращения относительно мантии.

По оценкам, так происходит каждые 35 лет. Предыдущий "разворот" был в начале 1970-х.

"Наблюдения свидетельствуют о динамическом взаимодействии слоев Земли, от ядра и мантии к поверхности, однако требуются дополнительные исследования, чтобы определить, какие тут механизмы", — пишут ученые.

"Сердце" Земли

Внутреннее ядро, "сердце" Земли играет важную роль в глубинной динамике, прежде всего в генерации магнитного поля, защищающего планету от губительного космического излучения. Без этого щита зарождение и развитие жизни было бы невозможно.

 

Считается, что магнитное поле порождают электрические токи, возникающие при конвекции жидкого металла внешнего ядра вокруг твердого "сердечника". Это своего рода динамо-машина. Флуктуации возможны из-за магнитного момента внешнего ядра и гравитационного торможения мантии.

По расчетам, даже небольшого дисбаланса электромагнитных и гравитационных сил достаточно, чтобы замедлить, а затем обратить вспять вращение внутреннего ядра. Недаром это совпадает с 60-70-летними циклами колебаний магнитного поля и продолжительности суток (микросекундные аномалии).

Мелкие вибрации

Однако геофизики Университета Южной Калифорнии Вей Ван и Джон Видейл считают, что осцилляции внутреннего ядра происходят намного чаще. Год назад они проанализировали данные, полученные большой сейсмической антенной (LASA — Large Aperture Seismic Array) ВВС США в Монтане после советских подземных ядерных испытаний 1971-1974 годов на Новой Земле, и увидели, что скорость вращения внутреннего ядра была примерно на 0,29 градуса в год больше, чем у мантии.

 

Применив тот же подход к атомным взрывам на Аляске в 1969-м и 1971-м, они получили обратный результат: скорость ядра оказалась на 0,1 градуса в год меньше, чем у остальной Земли.

На основании этого геофизики сделали вывод, что в 1971 году внутреннее ядро стало вращаться в другую сторону. По их модели, такие "развороты" случаются примерно раз в шесть лет. Интересно, что и у колебаний продолжительности суток есть такие же, более короткие циклы.

Новые исследования должны добавить ясности. И жизни на планете это не угрожает в любом случае.

"То, что происходит, не до конца понятно, но изменения, которые мы заметили, вполне допустимы", — считает профессор Видейл, которого цитирует The Wall Street Journal.

А некоторые ученые считают, что внутреннее ядро вообще неподвижно, объясняя разницу во времени прохождения волн неровностями его поверхности.

 

---

Источник: РИА Новости

---

Геофизики установили, что твердое внутреннее ядро нашей планеты устроено сложнее, чем считалось ранее. Оно состоит из двух компонентов, отличающихся по своим геомагнитным свойствам.

Строение ЗемлиК такому выводу пришли американские ученые из Университета Иллинойса и их китайские коллеги, чья статья будет опубликована в журнале Nature Geoscience.

Как известно, под земной корой располагается мантия, которая, в свою очередь, окружает ядро. Ядро нашей планеты состоит из жидкого внешнего слоя и твердой внутренней железосодержащей части. До настоящего времени считалось, что твердая часть ядра, по размерам уступающая Луне, достаточно однородна.

Однако авторы статьи выяснили, что твердую «сердцевину» Земли можно разделить еще на две части. К такому выводу ученые пришли, проанализировав сейсмические волны, порождаемые глубинными землетрясениями.

Оказалось, что внутренняя часть твердого ядра отличается от его внешнего слоя ориентацией кристаллов железа: они ориентированы там в направлении восток-запад, тогда как во внешней части твердого ядра они выстроены по направлению север-юг.

Диаметр внутренней части твердого ядра равен половине диаметра всего твердого ядра. Поскольку по своим свойствам кристаллы железа в нем отличается от кристаллов внешней части, ученые полагают, что они могут относиться к особому типу.

«Наличие двух различающихся регионов может рассказать нам об эволюции внутреннего ядра Земли», -- пояснил Ксяодун Сун, соавтор статьи. В частности, наличие двух зон в твердом ядре может быть связано с тем, что режим деформации внутренних регионов Земли варьировал в ходе ее развития.

Источник: infox.ru

У нашей планеты сложный интерьер, у него много слоёв. Образование и структура этих слоёв — тайна за семью печатями, но время от времени подсказки появляются — благодаря новым исследованиям, конечно, а не молитвам. 

Железо оседало на дне океана магмы, а затем просачивалось через твёрдую мантию к ядру. (Изображение авторов работы.) Если мы совершим путешествие к центру Земли, то увидим, что большинство материала на глубине до 3 тыс. км сложено всего тремя элементами: на кислород, кремний и магний (плюс немного железа) приходится более 90% «керамической» мантии Земли. Наша мантия служит прекрасной электро- и теплоизоляцией. 

Идём глубже — и всё меняется. Мы пересекаем границу каменистой мантии с металлическим ядром, которое на верхних участках представляет собой жидкость, а в самом центре планеты становится твёрдым. Химический состав тоже иной: почти всё ядро состоит из железа. 

По физическим характеристикам внешнее ядро Земли так же отличается от мантии, как море — от дна. Представьте себе перевёрнутый мир, в котором шторма и течения находятся не над, а под слоем породы. Именно эти потоки раскалённого металла в ядре Земли порождают её магнитное поле, которое защищает нас от солнечных бурь и делает возможной жизнь на поверхности планеты. 

Как же так получилось, что настолько различные слои материала оказались рядом друг с другом? Группа учёных во главе с Венди Мао из Стэнфордского университета (США) смогла показать, как железо вытесняется из силикатов на глубине около 1 000 км. 

Лабораторные эксперименты со смесями силикатных минералов и железа говорят о том, что железо находится в породе в виде крошечных изолированных образований, будучи запертым в ловушку на стыках между крупинками минералов. Это наблюдение привело учёных к выводу о том, что сегрегация железа происходит только на ранней стадии формирования планет, когда верхняя часть силикатной мантии полностью расплавлена. Считается, что капли железа просачивались через верхнюю мантию и собирались в её основании, а затем под действием силы тяжести, как в лавовой лампе, тонули дальше, и так в конечном счёте образовалось ядро. 

Работа г-жи Мао требует пересмотра этой модели. С помощью интенсивного рентгеновского излучения исследователи изучили образцы, находившиеся в условиях экстремального давления и температуры между кончиками кристаллов алмаза. Выяснилось, что при увеличении давления в недрах мантии жидкое железо начинает смачивать поверхность крупиц силикатных минералов. Это означает, что потоки расплавленного железа собираются в ручьи в твёрдой мантии — этот процесс называется перколяцией. Что ещё более важно, данный процесс может протекать, даже когда мантия недостаточно горяча для формирования океана магмы. 

«Чтобы перколяция была эффективной, расплавленному железу надо проложить непрерывные каналы через твердь, — поясняет г-жа Мао. — Это считалось невозможным, но теперь мы говорим, что при определённых условиях, которые, как мы знаем, существовали на планете, это может произойти». 

Комментируя результаты, Джеффри Бромили из Эдинбургского университета (Великобритания) отмечает: «Новые данные говорят о том, что формирование ядра не было простым, одноступенчатым событием. И этот сложный процесс, должно быть, оказал не менее сложное влияние на последующую химию Земли».

Работа г-жи Мао поднимает важные вопросы о том, как начинается формирование ядра планет. Общепринятая теория гласит, что изучение ядер метеоритов и астероидов расскажет нам о нашей собственной планете, но г-н Бромили считает, что раннее формирование ядра возможно только на больших планетах. Поэтому химический состав Земли сильно изменился в этом процессе и теперь значительно отличается от состава планет поменьше и астероидов. 

Г-н Бромили и его коллеги теперь изучают, какие ещё факторы могли повлиять на формирование строения Земли — например, столкновения с астероидами и другими телами в хаосе ранней Солнечной системы. Их выводы тоже добавляют вопросов. «Мы всё чаще наблюдаем металлические ядра у тел, которые значительно меньше Земли, — говорит учёный. — Какой процесс повлиял на формирование ядер у тел, которые никогда не были настолько большими, чтобы там имела место перколяция расплавов на большой глубине?» 

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Филип Ливермор (Philip Livermore) и его коллеги из Лидского университета (Великобритания) заявляют, что им наконец-то удалось решить загадку о направлении вращения слоёв ядра нашей планеты.

Магнитное поле, порождаемое внешними слоями ядра, заставляет его внутренние слои крутиться в противоположном направлении. (Иллюстрация UL.) Сейсмографы, следящие за колебаниями, которые вызваны землетрясениями, и охватывающие всё бόльшую глубину земных недр, указали на то, что твёрдое ядро, которое в значительной степени состоит из железа, вращается с запада на восток значительно быстрее, чем верхние слои планеты, на которых живём мы. Твёрдая часть ядра, по размерам примерно соответствующая Луне, окружена жидкими внешними слоями, восходящие потоки в которых и порождают магнитное поле Земли.

А вот наблюдения за магнитным полем планеты приводили к противоположным выводам: получалось, что ядро (по крайней мере его наружные слои) должно вращаться с востока на запад. Причины этого очень долго оставались не вполне ясными.

Согласно модели, построенной учёными из Лидса, объяснить противоречие можно следующим образом. «Магнитное поле толкает внутреннее ядро с запада на восток, заставляя его вращаться быстрее, чем остальную планету. В то же время оно воздействует на жидкие наружные слои ядра в противоположном направлении, и те двигаются с востока на запад», — уверены г-н Ливермор и его команда.

То, что, по наблюдениям, магнитное поле Земли хотя и медленно, но меняется, означает, что через сотни или тысячи лет направление вращения может стать другим, и так, несомненно, уже случалось в прошлом. Всего 800 тыс. лет тому назад стрелка компаса показала бы на юг, где тогда находился нынешний северный магнитный полюс. Более того, некоторые данные свидетельствуют, что 3 тыс. лет назад были периоды, когда жидкая часть ядра вращалась в восточном, а не в западном направлении.

Если верить вновь представленной модели, в такие времена внутреннее твёрдое ядро должно было вращаться в западном направлении, то есть противоположном нынешнему. 

Состоятельность гипотезы проверили с помощью симуляции на суперкомпьютере, и оказалось, что она моделирует историю магнитного поля в Земли в 100 раз точнее, чем все прежние теории и модели. Из этого учёные делают вывод, что два слоя ядра планеты действительно вращаются в противоположных направлениях, периодически их меняя.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of National Academy of Sciences (доступен полный текст).

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Ричард Холм (Richard Holme) из Ливерпульского университета (Великобритания) и его коллеги измеряли колебания в длительности дня с 1969 года — с того времени, когда наука начала регистрировать так называемые геомагнитные вздрагивания, то есть лёгкие колебания земного ядра относительно планеты в целом. С тех пор их было десять.

Вздрагивания ядра, по мнению ряда исследователей, могут играть важную и пока не вполне ясную роль в работе магнитного динамо Земли. (Здесь и ниже иллюстрации NASA.) Эти колебания, вызываемые неясными пока причинами, протекают внутри самого земного ядра и передаются во внешние слои Земли лишь тогда, когда накапливается определённый угловой момент.

Строение ЗемлиЧтобы выяснить, влияет ли факт передачи момента на длительность суток, учёным пришлось исключить все другие виды колебаний, замедляющих или ускоряющих вращение планеты. К ним, кроме со школы известного приливного торможения Земли Луной, относят, как ни странно, не только таяния ледников и их перемещение по суше, но и мощные океанские течения и даже стратосферные воздушные потоки. Хотя их совместное влияние обычно не превышает миллисекунды в год, учитывая массу планеты, это означает огромную энергию названных воздействий. Посему их отделение от влияния геомагнитных вздрагиваний оказалось не таким простым делом.

Получив в итоге очищенные данные по длительности суточного вращения, на них наложили график с датами вздрагиваний земного ядра. Сильная корреляция, демонстрирующая, что каждое из них меняло длину суток, была очевидной, утверждают учёные. Правда, у них уже появились оппоненты, которые считают, что действительно значимое изменение показало лишь вздрагивание 2003 года, а остальные события такого рода менее убедительны.

Каждое вздрагивание в среднем сдвигает длительность дня на 0,1 мс. Ничтожное значение, верно? Между тем через миллиард лет нам так не покажется. Но речь не о том. Колебания информируют нас о поведении земного ядра. В частности, их дальнейший анализ, как считает Ричард Холм, способен улучшить наше понимание того, как ядро и мантия обмениваются угловым моментом.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

В последнее время стало выясняться, что внутреннее ядро Земли устроено сложнее, чем считалось, но ни одна из новых моделей пока не смогла объяснить странное поведение проходящих через него сейсмических волн. Между тем понимание внутреннего ядра во всей его сложности необходимо для изучения эволюции и сегодняшнего состояния планеты. Рост внутреннего ядра косвенно влияет на движение ядра внешнего, которое производит магнитное поле Земли.

Строение Земли. Иллюстрация Thinkstock.Группа учёных из Великобритании и США полагает, что поведение сейсмических волн объясняется конвекцией, то есть тем же явлением, благодаря которому батарея, стоящая у окна, обогревает всю комнату. Воздух вблизи неё теплеет и становится менее плотным, из-за чего поднимается к потолку и меняется местами с более холодными слоями. Оказавшись рядом с батареей, холодный воздух тоже нагревается, начинает подниматься и т. д. То же самое происходит внутри ядра.

«Медленное остывание Земли заставляет жидкое внешнее ядро затвердевать снизу вверх, откладывая материал с более низкой температурой на границе внутреннего ядра, — поясняет Крис Дэвис из Лидсского университета (Великобритания). — Материал, расположенный в верхней части внутреннего ядра, плотнее того, что располагается ниже. Если плотный материал залегает выше лёгкого, последний хочет подняться, а плотный — опуститься, что делает всю систему неустойчивой». Именно эта нестабильность и приводит к конвекции.

Некоторые исследователи предполагали, что в центре внутреннего ядра жарче, чем по краям, и что изменение температуры от центра к краю тоже способно вызвать конвекцию, так как относительно прохладный материал на краю стремится затонуть.

Но г-н Дэвис и его коллеги утверждают, что конвекция возникает из-за более плотного, а не прохладного материала. Иными словами, дело не в разнице температур, а в разнице химических составов.

Предыдущие штудии показали, что внутреннее ядро может осуществлять перенос тепла с помощью другого уровня проводимости, когда тепло переносится, но материал — нет. Однако это означало бы, что для конвекции просто не оставалось бы тепла. Поэтому многие учёные сомневаются в том, что поведение сейсмических волн можно объяснить конвекцией.

Суть новой работы как раз и заключается в том, что она показывает принципиальную возможность конвекции во внутреннем ядре.

Результаты исследования опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Исследование, проведённое геологами под руководством Арно Шуллиа (Arnaud Chulliat) из Парижского института физики Земли, показало, что скорость перемещения северного магнитного полюса нашей планеты достигла рекордного за всё время наблюдений значения.

Всё убыстряющийся сдвиг северного магнитного полюса Земли требует более частого обновления карт магнитного поля (иллюстрация Stefan Maus, NOAA NGDC) Нынешняя скорость сдвига полюса составляет впечатляющие 64 километра в год. Сейчас северный магнитный полюс – место, куда указывают стрелки всех компасов мира, – находится на территории Канады близ острова Элсмир (Ellesmere Island).

Напомним, что учёные впервые определили "точку" северного магнитного полюса в 1831 году. В 1904-м впервые было зафиксировано, что он начал сдвигаться в северо-западном направлении примерно на 15 километров в год. В 1989-м скорость увеличилась, а в 2007 году геологи доложили, что северный магнитный полюс мчит в сторону Сибири уже со скоростью 55-60 километров в год.

Изменение линий магнитного поля Земли, несомненно, скажется на биосфере планеты. Известно, к примеру, что птицы магнитное поле видят, а коровы даже выравнивают вдоль него свои тела По мнению геологов, за все процессы отвечает железное ядро Земли, с твёрдой сердцевиной и внешним жидким слоем. Вместе эти части составляют своеобразную "динамо-машину". Перемены во вращении расплавленной составляющей, скорее всего, и определяют изменение магнитного поля Земли.

Однако ядро недоступно прямым наблюдениям, увидеть его можно только косвенно, и, соответственно, его магнитное поле напрямую картографировать нельзя. По этой причине учёные полагаются на изменения, происходящие на поверхности планеты, а также в космосе вокруг неё.

Новые данные, собранные французскими геологами, показали, что недавно близ поверхности ядра появилась область с быстро меняющимся магнитным полем, образованная, вероятно, аномально движущимся потоком жидкой составляющей ядра. Именно эта область тащит северный магнитный полюс прочь из Канады.

Правда, Арно не может с уверенностью утверждать, что северный магнитный полюс когда-либо пересечёт границу нашей страны. Никто не может. "Очень трудно делать какие-либо прогнозы", — говорит Шуллиа. Ведь никто не способен предсказать поведение ядра. Возможно, чуть позже необычное завихрение жидких недр планеты произойдёт в другом месте, увлекая за собой и магнитные полюса.

Кстати, учёные уже давно говорят о том, что магнитные полюса могут и вовсе поменяться местами, как это не раз происходило в истории планеты. Изменение это может привести к серьёзным последствиям, например повлиять на появление прорех в защитной оболочке Земли.

Источник: MEMBRANA

Сейсмологи из Университета Кюсю (Япония) и Бристольского университета (Великобритания) уточнили детали строения внешнего ядра Земли.

Строение Земли. Внешнее ядро, отмеченное бледно-голубым, составляет 15% от объёма Земли, внутреннее (розовое) — менее 1%, а центральная часть последнего (красная) — менее 0,01%. (Иллюстрация из журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.) Давно известно, что ядро нашей планеты можно представить в виде твёрдой сферы радиусом около 1 200 км, покрытой жидким слоем толщиной в 2 200 км. Основными составляющими ядра считаются железо и никель, но оно также должно вмещать небольшой объём относительно лёгких элементов. Такая модель подтверждается данными наблюдения за распространением сейсмических волн от землетрясений.

Авторы исследования утверждают, что упомянутые лёгкие элементы концентрируются в наружном слое жидкого внешнего ядра. Экспериментальные данные, на которых основано это заявление, были собраны во время землетрясений в Южной Америке и у архипелага Фиджи, которые регистрировались сейсмоприёмниками, установленными в Японии и Европе. Удачное расположение сейсмографов позволило точно отследить движение волн.

По словам учёных, толщина обогащённой лёгкими элементами области внешнего ядра составляет около 300 км. Наблюдаемые параметры хорошо согласуются с моделью, в которой на границе ядра содержание «лёгких» серы и кислорода доходит до 5%.

Джордж Хельффрих (While Helffrich), один из двух участников исследования, сравнивает обнаруженную область со слоем атмосферы. «Вспомните, к примеру, стратосферу, — говорит сейсмолог. — Разве это чётко выделенный слой? Нет! Вот и в нашем случае никаких определённых границ установить нельзя; мы лишь можем отметить незначительные изменения скорости распространения волн».

Само перемещение лёгких элементов к поверхности представляется г-ну Хельффриху вполне логичным следствием затвердевания внутренней части ядра. Учёный также считает, что поднятие серы и кислорода помогает поддерживать магнитное поле Земли.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Nature.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Геофизики из Кембриджского университета представили экспериментальные свидетельства того, что скорость вращения внутреннего ядра Земли переоценивалась.

Обложка того самого номера Nature Твёрдое внутреннее ядро, граница которого находится на глубине около 5 200 км, постоянно растёт за счёт отвердевания вещества внешнего ядра. Скорость роста невелика и оценивается в 1 мм/год. Учёным также известно, что внутреннее ядро можно условно разделить на два полушария с разными свойствами: восточное даёт заметно более высокую скорость распространения сейсмических волн. Это свойство находит своё объяснение в простой модели, согласно которой ядро довольно быстро обновляется по принципу конвейера (кристаллизуется с западной стороны и плавится на востоке).

Поскольку у жидкой части ядра нет жёсткой связи с остальной Землёй, исследователи предполагают, что оно может вращаться быстрее или медленнее, чем мантия и кора. В 1990-х было опубликовано несколько статей на эту тему, и одной из самых цитируемых стала работа американских геофизиков, появившаяся в Nature 18 июля 1996 года. Её авторы утверждали, что внутреннее ядро вращается быстрее, причём «дополнительный» градус вращения накапливается всего за год.

Если учесть совсем небольшую скорость роста внутреннего ядра, согласовать эти результаты с наблюдаемым делением на полушария будет очень сложно. Кембриджские учёные попытались исправить ситуацию, сравнив самый крупный из доступных массивов информации по распространению объёмных сейсмических волн, проходящих сквозь внутреннее ядро, с аналогичными данными для волн, отражающихся от его поверхности. Вычислив разность времён распространения, британцы оценили строение верхнего слоя внутреннего ядра толщиной в 90 км.

Расчёт скоростей распространения волн показал, что условные границы западного и восточного полушарий сдвигаются по мере продвижения вглубь ядра. На большей глубине находится более «древнее» вещество, и сдвиг можно связать с вращением внутреннего ядра; учёные так и сделали, установив, что последнее действительно вращается несколько быстрее остальной части Земли, но прибавка в 0,1˚–1˚ накапливается лишь за миллион лет.

Такое значение прекрасно подходит для моделирования геодинамо. Возможно, на точность предыдущих оценок, которые оказались серьёзно завышенными, повлияли кратковременные колебания скорости вращения внутреннего ядра.

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале Nature Geoscience. 

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА