В какой-то момент истории Земли расплавленное металлическое ядро планеты охладилось и затвердело. Определить момент, когда произошло изменение, непросто. До сих пор он оценивался между 4,5 миллиардами (возраст Земли) и 565 миллионами лет назад. Авторам нового исследования из Техаса удалось немного сузить этот разброс, а именно от 1 до 1,3 миллиарда лет назад.
Сегодня этот железный шар, который является ядром, окружен мантией из расплавленного металла. Вместе они образуют гигантское геодинамо, питающее магнитное поле вокруг Земли, которое защищает от смертоносных солнечных ветров и позволяет жизни на поверхности выжить.
По крайней мере, это гипотеза, предложенная Эдвардом Буллардом. Теория «самовозбуждающейся динамики», создающей магнитное поле Земли в результате вихревых электрических токов, протекающих в жидком ядре Земли, сегодня является самой популярной и была математически подтверждена моделью магнитогидродинамического динамо.
Возраст геодинамо был определен учеными из Техасского университета в Остине. - Людям крайне любопытно, как оно возникло и откуда исходит сила магнитного поля. Ведь от этого зависит наше существование на Земле, - отметил Чжун-Фу Линь в пресс-релизе.
Геодинамо питает то, что в настоящее время считается конвекционными токами в жидком ядре Земли. Предположение следующее: в этих токах вращение Земли за счет эффекта (силы) Кориолиса создает вихри, которые действуют по тому же принципу, что и униполярный генератор Фарадея . При этом они генерируют электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле.
Так что же произошло миллиарды лет назад? Чтобы вернуться так далеко во времени, необходимо было воссоздать условия в самом сердце планеты в лаборатории . Они пытались выяснить, как в течение такого длительного периода времени жидкое железо оставалось достаточно горячим, чтобы выдерживать конвекционные токи и, как следствие, приводить в действие геодинамо.
Ученые признали, что ключ к разгадке состоит в том, чтобы внимательнее изучить теплопроводность железа при различных давлениях и температурах, близких к теплопроводности ядра Земли. Для этого металлический образец нагревали лазером и сжимали в алмазных тисках.
Давно пробовали разными способами. В общей сложности на это ушло два года. В конце концов, они смогли успешно выполнить измерения при 170 гигапаскалей (давление в 170 миллионов раз выше атмосферного давления на уровне моря) и при 3000 Кельвинах (2726 C).
Давление во внешней мантии ядра колеблется от 135 до 330 гигапаскалей, а температура - от 4000 до 5000 Кельвин. В самом ядре она достигает 6000 Кельвинов, но железо превращается в твердое тело под огромным давлением.
Когда проводимость образца была измерена в предполагаемых условиях, она оказалась от 30 до 50 процентов. ниже, чем если бы жидкое ядро действительно затвердело 565 миллионов лет назад. Установив более высокий предел теплопроводности железа, ученые также автоматически смогли улучшить оценки возраста внутреннего ядра планеты.
«Фактически, когда вы знаете, сколько тепла идет от внешнего ядра к центру, вы можете подсчитать время, которое требуется Земле, чтобы остыть достаточно, чтобы внутреннее ядро кристаллизовалось», - сказал Линь.
График времени, полученный учеными из Техаса, довольно хорошо согласуется с изменением магнитного поля Земли. Увеличение напряженности поля хорошо видно после изменения расположения ферромагнитных минералов, таких как магнетит, гематит или пирротин, в породах. И вы можете увидеть такое явление в слоях возрастом от 1 до 1,5 миллиарда лет.
Проблема в том, что есть также следы более позднего увеличения напряженности поля, которое произошло 565 миллионов лет назад (предположительно по изменению расположения минералов). Известно только, чем они были вызваны.
