Исследователи допускают существование еще одного ядра во внутреннем ядре Земли

Существование еще одной металлической сферы во внутреннем ядре нашей планеты, названной «глубочайшим внутренним ядром», было предложено около 20 лет назад. Однако в то время было трудно подтвердить эту теорию из-за нехватки глобальных сейсмических станций. Теперь, благодаря более сложной и широко развернутой сети мониторинга, исследователи предоставляют новые доказательства этой гипотезы.

Внутреннее ядро (или семя) было открыто датским сейсмологом Инге Леманном в 1936 году. Оно представляет собой твердую сферу радиусом около 1220 км, расположенную в центре внешнего ядра, которое является жидким. Оно состоит из сплава железа и никеля, а также более легких элементов. В 1980-х годах сейсмологи обнаружили, что сейсмические волны, идущие параллельно оси север-юг, проходят через семя быстрее, чем сейсмические волны, идущие параллельно экватору: это явление известно как сейсмическая анизотропия.

Известно также, что внутреннее ядро участвует в земном динамо: по мере его роста скрытое тепло и легкие элементы, высвобождаемые в процессе затвердевания, стимулируют конвекцию жидкого внешнего ядра, которое, в свою очередь, поддерживает геодинамо. Таким образом, заметные изменения в его структуре могут указывать на изменения в функционировании геомагнитного поля, что могло оказать глубокое влияние на эволюцию Земли и ее экосистемы. Вот почему исследование самой глубокой части внутреннего ядра имеет большое значение для понимания эволюции нашей планеты.

Таким образом, внутреннее ядро считается настоящей «капсулой времени», в которой могут храниться сведения о событиях, происходивших на Земле сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Но поскольку оно погребено под несколькими другими слоями, это внутреннее ядро — и в особенности его самая глубокая часть — особенно трудно изучить, и оно остается весьма загадочным.

«Чтобы исследовать самую внутреннюю сферу внутреннего ядра, сейсмические станции и землетрясения должны располагаться на близких антиподальных расстояниях, что на практике является сложной задачей из-за ограниченности крупных землетрясений зоны субдукции в квазиэкваториальном поясе и ограниченного количества сейсмических станций в океанах и отдаленных регионах«, — объясняют Тхань-Сон Фам и Хрвое Ткалчич, сейсмологи из Австралийского национального университета.

Единственный способ изучения глубинных слоев планеты основан на изучении сейсмических волн, которые проходят через нее и меняют скорость и направление в зависимости от плотности среды, с которой они сталкиваются. В 2002 году два исследователя из Гарвардского университета на основе сейсмических данных впервые предположили, что внутреннее ядро, вероятно, содержит еще одно ядро радиусом около 300 км, которое, по их мнению, имеет отличную от остального внутреннего ядра поперечную изотропию.

Благодаря растущему числу глобальных сейсмических станций Фам и Ткалчич смогли проанализировать новые сейсмические данные, проливающие новый свет на это глубокое внутреннее ядро. Используя новую технику для усиления регистрируемых сигналов, они сообщили о невиданных ранее волнах: ранее невиданный класс «реверберирующих» волн, которые проходят прямо через центр Земли и распространяются в пять раз больше ее диаметра, подпрыгивая, как мячик для пинг-понга. Эти волны называются «множественными PKIKP». «Насколько нам известно, реверберации более чем двух проходов еще не были зарегистрированы в сейсмологической литературе«, — отмечают они.

Свидетельство крупного события, нарушившего рост ядра

Для своего исследования ученые проанализировали данные примерно 200 землетрясений магнитудой 6 и выше, произошедших за последнее десятилетие. Одно из землетрясений, изученных двумя экспертами, произошло на Соломоновых островах в январе 2017 года. Сложение сейсмических волновых форм, связанных с этим событием, показало, что сейсмические фазы несколько раз реверберировали по диаметру Земли, проходя через внутреннее ядро.

Исследователи изучили анизотропию железо-никелевого сплава, из которого состоит внутреннее ядро; эта анизотропия — вероятно, из-за иного расположения атомов железа при высоких температурах и давлениях — влияет на скорость сейсмических волн в зависимости от направления, через которое они проникают в среду. Они обнаружили, что прыгающие сейсмические волны неоднократно прощупывали точки вблизи центра Земли под разными углами.

Проанализировав изменения во времени прохождения сейсмических волн при различных землетрясениях, два исследователя пришли к выводу, что кристаллическая структура самой глубокой области внутреннего ядра, вероятно, отличается от структуры внешнего слоя. Это может объяснить, в частности, почему волны ускоряются или замедляются в зависимости от угла их входа, когда они проникают в самую внутреннюю часть ядра.

«Выведенная модель поперечно изотропного внутреннего ядра содержит внутренний шар толщиной 650 км со скоростью продольных волн 4% ниже 50° от оси вращения Земли. Напротив, внешняя оболочка внутреннего ядра имеет гораздо меньшую анизотропию, с самым медленным направлением в экваториальной плоскости«, — резюмируют сейсмологи в журнале Nature Communications.

Эти результаты свидетельствуют о фундаментальном изменении режима роста внутреннего ядра в прошлом Земли. Другими словами, в какой-то момент могло произойти крупное глобальное событие, которое привело к значительному изменению кристаллической структуры или текстуры внутреннего ядра нашей планеты. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы охарактеризовать переход от внутреннего ядра к самой глубокой части планеты. «Остается еще много вопросов без ответа о внутреннем ядре Земли, которое может хранить секреты разгадки тайны формирования нашей планеты«, — сказал профессор Ткалчич.