(CNN) Глубоко внутри Земли лежит твердый металлический шар, который вращается независимо от нашей планеты, как волчок внутри большего волчка, окутанный тайной.
Это внутреннее ядро интриговало исследователей с момента его открытия датским сейсмологом Инге Леманн в 1936 году, а то, как оно движется – его скорость и направление вращения – находится в центре многолетних дебатов. Все больше данных свидетельствует о том, что вращение ядра резко изменилось за последние годы, но ученые по-прежнему расходятся во мнениях относительно того, что именно происходит и что это означает.
Частично проблема заключается в том, что невозможно напрямую наблюдать или исследовать глубокие недра Земли. Сейсмологи собрали информацию о движениях внутреннего ядра, исследуя поведение волн, вызванных сильными землетрясениями, обрушившимися на этот регион. Вариации между волнами одинаковой силы, проходившими через ядро в разное время, позволили ученым измерить изменения в положении внутреннего ядра и рассчитать его вращение.
«Дифференциальное вращение внутреннего ядра было предложено как явление в 1970-х и 1980-х годах, но только в 1990-х годах были опубликованы сейсмологические данные», — говорит Лорен Вашек, старший преподаватель физических наук в Университете Джеймса Кука, Австралия.
Но исследователи разошлись во мнениях относительно того, как интерпретировать эти результаты, «в основном из-за сложности проведения детальных наблюдений внутреннего ядра, его удаленности и ограниченности доступных данных», — сказала Лорен Вашек. В результате «исследования, которые проводились в последующие годы и десятилетия, расходятся во мнениях ни по скорости вращения, ни по его направлению относительно мантии», добавила она. Некоторые исследования даже предполагают, что ядро может вообще не вращаться.
Перспективная модель предложено в 2023 году описывает внутреннее ядро, которое когда-то вращалось быстрее, чем сама Земля, но теперь вращается медленнее. По мнению учёных, какое-то время вращение ядра соответствовало вращению Земли. Затем оно замедлилось еще больше, пока ядро не начало двигаться назад относительно окружающих его слоев жидкости.
В то время некоторые эксперты подчеркивали, что для подтверждения этого вывода необходимы дополнительные данные. Теперь другая группа ученых предоставила убедительные новые доказательства этой гипотезы относительно скорости вращения внутреннего ядра. Исследование опубликовано 12 июня в журнале Природа не только подтверждают замедление ядра, но и поддерживают предположение 2023 года о том, что это замедление ядра является частью модели замедления и ускорения, которая длится несколько десятилетий.
Новые результаты также подтверждают, что изменения скорости вращения следуют 70-летнему циклу, сказал соавтор исследования. Джон Видейл, профессор наук о Земле в Колледже литературы, искусств и наук Дорнсайфа при Университете Южной Калифорнии.
«Мы говорим об этой проблеме уже 20 лет, и я думаю, что это исследование является конечной точкой», — сказал Видейл. «Я думаю, что мы закончили споры о том, движется ли внутреннее ядро и каково его поведение за последние два десятилетия.
Но не все убеждены, что проблема решена, и то, как замедление внутреннего ядра может повлиять на нашу планету, остается открытым вопросом, хотя некоторые эксперты полагают, что магнитное поле Земли может сыграть свою роль.
Магнитное притяжение
Твердое металлическое внутреннее ядро, погребенное на глубине примерно 5.180 километров, окружено жидкометаллическим внешним ядром. Внутреннее ядро состоит в основном из железа и никеля и, по оценкам, имеет такую же температуру, как поверхность Солнца, около 9.800 градусов по Фаренгейту (5.400 градусов по Цельсию).
Магнитное поле Земли притягивает этот твердый шар из горячего металла и заставляет его вращаться. В то же время гравитация и потоки из жидкого внешнего ядра и мантии оказывают тяговое воздействие на ядро. По словам Видейла, на протяжении десятилетий воздействие этих сил вызывает изменения скорости вращения ядра.
Взбалтывание богатой металлами жидкости во внешнем ядре генерирует электрические токи, которые питают магнитное поле Земли, которое защищает нашу планету от смертоносной солнечной радиации. Хотя прямое влияние внутреннего ядра на магнитное поле неизвестно, ученые уже сообщали в 2023 что более медленно вращающееся ядро потенциально может повлиять на него и незначительно сократить продолжительность дня.
Когда ученые пытаются «заглянуть» на планету, они обычно следуют двум типам сейсмических волн: волнам давления, или P-волнам, и поперечным волнам, или S-волнам, которые проходят через все типы материи. P-волны проходят через все типы веществ, тогда как S-волны проходят только через твердые тела или чрезвычайно вязкие жидкости, в зависимости отГеологическая служба США.
В 1880-х годах сейсмологи обнаружили, что S-волны, порождаемые землетрясениями, не проходят через всю Землю, что позволило им сделать вывод, что ядро Земли расплавлено. Но некоторые Р-волны, пройдя через ядро Земли, возникли в неожиданных местах – в «теневой зоне», вроденазываемый Леманн – создает аномалии, которые невозможно объяснить. Леманн был первым, кто предположил, что блуждающие P-волны могут взаимодействовать с твердым внутренним ядром внутри жидкого внешнего ядра, основываясь на данных мощного землетрясения в Новой Зеландии 1929 года.
Отслеживая сейсмические волны от землетрясений, которые прошли через внутреннее ядро Земли по аналогичным траекториям с 1964 года, авторы исследования 2023 года обнаружили, что вращение следует 70-летнему циклу. В 1970-х годах внутреннее ядро вращалось немного быстрее, чем планета. Примерно в 2008 году оно замедлилось, а с 2008 по 2023 год начало немного двигаться в противоположном направлении, относительно мантии.
Будущая ротация ядра
В рамках этого нового исследования Видейл и его соавторы наблюдали сейсмические волны, возникающие в результате землетрясений в одних и тех же местах и в разное время. Они обнаружили 121 пример таких землетрясений, произошедших в период с 1991 по 2023 год на Южных Сандвичевых островах, архипелаге вулканических островов, расположенных в Атлантическом океане к востоку от южной оконечности Южной Америки. Исследователи также изучили ударные волны, проникающие в ядро, вызванные советскими ядерными испытаниями, проведенными между 1971 и 1974 годами.
По словам г-на Видейла, вращение ядра влияет на время прихода волны. Сравнение моментов попадания сейсмических сигналов на ядро выявило изменения во вращении ядра с течением времени, что подтверждает 70-летний цикл вращения. По расчетам исследователей, ядро вот-вот снова начнет ускоряться.
По сравнению с другими сейсмографическими исследованиями ядра, которые измеряют отдельные землетрясения по мере их прохождения через ядро - независимо от того, когда они происходят - использование только парных землетрясений уменьшает объем полезных данных, "что делает метод более сложным", - сказал Вашек. Однако этот метод также позволил ученым измерить изменения во вращении ядра с большей точностью, сказал Видейл. Если модель его команды верна, вращение ядра снова начнет ускоряться через пять-десять лет.
Сейсмографы также показали, что в течение 70-летнего цикла вращение ядра замедляется и ускоряется с разной скоростью, «что требует объяснения», сказал Видейл. Одна из возможностей заключается в том, что внутренний металлический сердечник не так прочен, как ожидалось. Если он деформируется при вращении, это может повлиять на симметрию скорости его вращения.
Расчеты команды также показывают, что ядро имеет разные скорости вращения в зависимости от того, движется ли оно вперед или назад, что вносит «интересный вклад в дискуссию», сказал Вашек.
Но глубина и недоступность внутреннего ядра означают, что неопределенность остается, добавила она. Что касается того, действительно ли дебаты о ротации ядра закончились, «нам нужно больше данных и улучшенные междисциплинарные инструменты для дальнейшего изучения этого вопроса», — сказал Вашек.
Огромный потенциал
Изменения во вращении ядра, хотя их и можно отследить и измерить, практически незаметны для людей, живущих на поверхности Земли, сказал Видейл. Когда ядро вращается медленнее, мантия ускоряется. Это изменение ускоряет вращение Земли и сокращает продолжительность дня. Но эти изменения вращения составляют лишь тысячные доли секунды продолжительности дня, сказал он.
Что касается влияния на продолжительность жизни человека, он добавил: «Я не могу себе представить, что это означает что-то столь же важное, как продолжительность жизни человека. «Я не могу себе представить, что это так много значит.
Ученые изучают внутреннее ядро, чтобы узнать, как сформировались глубокие недра Земли и как активность связана со всеми подземными слоями планеты. Особый интерес представляет загадочная область, где жидкое внешнее ядро окутывает твердое внутреннее ядро, добавил Видейл. Как место встречи жидкости и твердого тела, эта граница «наполнена потенциалом активности», как и граница между ядром и мантией и граница между мантией и корой.
«Например, на краю внутреннего ядра у нас могут быть вулканы, где твердое и жидкое встречаются и движутся», — сказал он.
Поскольку вращение внутреннего ядра влияет на движения внешнего ядра, считается, что вращение внутреннего ядра помогает питать магнитное поле Земли, хотя для выяснения его точной роли необходимы дальнейшие исследования. И еще многое предстоит узнать об общей структуре внутреннего ядра, сказал Вашек.
«Новые и будущие методологии будут иметь ключевое значение для ответа на текущие вопросы о внутреннем ядре Земли, включая вопрос о вращении».
Минди Вайсбергер — научный писатель и медиапродюсер. Его работы были опубликованы в журналах Live Science, Scientific American и How It Works.
Источник (и): CNN.com с помощью ЛХК Твиттер
