Глубоко внутри Земли находится твердый металлический шар, который вращается независимо от нашей вращающейся планеты, подобно волчку, вращающемуся внутри большего волчка, окутанного тайной.
Это внутреннее ядро заинтриговало исследователей с момента его открытия датским сейсмологом Инге Леманн в 1936 году, и то, как оно движется — скорость и направление его вращения — было в центре многолетних дебатов. Все больше доказательств свидетельствует о том, что за последние годы вращение ядра резко изменилось, но ученые по-прежнему расходятся во мнениях относительно того, что именно происходит — и что это означает.
Отчасти проблема заключается в том, что внутренние слои Земли невозможно наблюдать или исследовать напрямую. Сейсмологи получили информацию о движении внутреннего ядра, изучая поведение волн от крупных землетрясений, которые достигают этой области. Различия между волнами одинаковой силы, прошедшими через ядро в разное время, позволили учёным измерить изменения в положении внутреннего ядра и рассчитать его вращение.
«Дифференциальное вращение внутреннего ядра было предложено в качестве феномена в 1970-х и 1980-х годах, но только в 1990-х были опубликованы сейсмологические доказательства», — сказала доктор Лорен Вашек, старший преподаватель физических наук в Университете Джеймса Кука в Австралии.
Но исследователи спорили о том, как интерпретировать эти результаты, «в первую очередь из-за сложности проведения детальных наблюдений за внутренним ядром из-за его удалённости и ограниченности доступных данных», — сказала Вашек. В результате «исследования, которые проводились в последующие годы и десятилетия, расходятся во мнениях относительно скорости вращения, а также его направления относительно мантии», — добавила она. Некоторые анализы даже предполагали, что ядро вообще не вращается.
Одна многообещающая модель, предложенная в 2023 году, описывала внутреннее ядро, которое в прошлом вращалось быстрее, чем сама Земля, но теперь вращается медленнее. Какое-то время, как сообщили учёные, вращение ядра соответствовало вращению Земли. Затем оно замедлилось ещё больше, пока ядро не стало двигаться назад относительно окружающих его слоёв жидкости.
В то время некоторые эксперты предупреждали, что для подтверждения этого вывода необходимы дополнительные данные, и теперь другая группа учёных представила убедительные новые доказательства этой гипотезы о скорости вращения внутреннего ядра. Исследование, опубликованное 12 июня в журнале Nature, не только подтверждает замедление вращения ядра, но и поддерживает выдвинутую в 2023 году гипотезу о том, что это замедление является частью многолетней тенденции к замедлению и ускорению.
Новые результаты также подтверждают, что изменения скорости вращения происходят с 70-летним циклом, — сказал соавтор исследования доктор Джон Видейл, профессор наук о Земле в Колледже Дорнсайф при Университете Южной Калифорнии.
«Мы спорили об этом 20 лет, и я думаю, что это окончательно всё проясняет, — сказал Видейл. — Я думаю, что мы закончили дискуссию о том, движется ли внутреннее ядро и какова была его траектория в последние пару десятилетий».
Но не все убеждены, что вопрос решён, и как замедление внутреннего ядра может повлиять на нашу планету, до сих пор остаётся открытым вопросом. Хотя некоторые эксперты говорят, что в игру может вступить магнитное поле Земли.
Магнитное притяжение
Внутреннее ядро Земли, находящееся на глубине около 3220 миль (5180 километров) под поверхностью, состоит из твёрдого металла и окружено жидким внешним ядром. Внутреннее ядро состоит в основном из железа и никеля, и, по оценкам, его температура такая же, как на поверхности Солнца, — около 9800 градусов по Фаренгейту (5400 градусов по Цельсию).
Магнитное поле Земли притягивает этот твердый шар из горячего металла, заставляя его вращаться. В то же время гравитация и течение жидкости во внешнем ядре и мантии притягивают ядро. На протяжении многих десятилетий толчки и притяжения этих сил вызывают изменения скорости вращения ядра, сказал Видале.
Движение богатой металлами жидкости во внешнем ядре создаёт электрические токи, которые питают магнитное поле Земли, защищающее нашу планету от смертоносного солнечного излучения. Хотя прямое влияние внутреннего ядра на магнитное поле неизвестно, учёные ранее сообщали в 2023 году, что замедление вращения ядра потенциально может повлиять на него, а также немного сократить продолжительность суток.
Когда учёные пытаются «просмотреть» планету насквозь, они обычно отслеживают два типа сейсмических волн: волны давления, или P-волны, и волны сдвига, или S-волны. P-волны проходят через все типы вещества; S-волны проходят только через твёрдые тела или очень вязкие жидкости, согласно данным Геологической службы США.
В 1880-х годах сейсмологи заметили, что волны S, генерируемые землетрясениями, не проходят через Землю полностью, и поэтому они пришли к выводу, что ядро Земли было расплавленным. Но некоторые P—волны, пройдя через ядро Земли, возникли в неожиданных местах - “теневой зоне”, как назвал это Леманн, — создавая аномалии, которые невозможно было объяснить. Леманн был первым, кто предположил, что своенравные P-волны могут взаимодействовать с твердым внутренним ядром внутри жидкого внешнего ядра, основываясь на данных о мощном землетрясении в Новой Зеландии в 1929 году.
Отслеживая сейсмические волны от землетрясений, которые проходили через внутреннее ядро Земли по схожим траекториям с 1964 года, авторы исследования 2023 года обнаружили, что вращение происходило с 70-летним циклом. К 1970-м годам внутреннее ядро вращалось немного быстрее планеты. Примерно в 2008 году оно замедлилось, а с 2008 по 2023 год начало двигаться немного в обратном направлении относительно мантии.
Будущее вращение ядра
В рамках нового исследования Видале и его соавторы наблюдали сейсмические волны, вызванные землетрясениями в одних и тех же местах в разное время. Они обнаружили 121 пример подобных землетрясений, произошедших в период с 1991 по 2023 год на Южных Сандвичевых островах, архипелаге вулканических островов в Атлантическом океане к востоку от самой южной оконечности Южной Америки. Исследователи также изучили проникающие в ядро ударные волны от советских ядерных испытаний, проведенных в период с 1971 по 1974 год.
Когда ядро вращается, сказал Видале, это влияет на время прихода волны. Сравнение времени поступления сейсмических сигналов по мере их касания ядра выявило изменения во вращении ядра с течением времени, подтверждая 70-летний цикл вращения. Согласно расчетам исследователей, ядро почти готово снова начать 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 используемых данных, “делая метод более сложным”, сказал Вазек. Однако, по словам Видале, это также позволило ученым измерить изменения во вращении ядра с большей точностью. Если модель его команды верна, вращение ядра снова начнет ускоряться примерно через пять-10 лет.
Сейсмографы также показали, что в течение своего 70-летнего цикла вращение ядра замедляется и ускоряется с разной скоростью, “чему потребуется объяснение”, - сказал Видале. Одна из возможностей заключается в том, что металлическое внутреннее ядро не такое твердое, как ожидалось. Если оно деформируется при вращении, это может повлиять на симметрию скорости его вращения, сказал он.
Расчёты команды также показывают, что ядро вращается с разной скоростью при движении вперёд и назад, что является «интересным дополнением к дискуссии», — сказал Вашек.
Но глубина и недоступность внутреннего ядра означают, что неопределенность сохраняется, добавила она. Что касается того, действительно ли закончились дебаты о вращении ядра, “нам нужно больше данных и улучшенные междисциплинарные инструменты для дальнейшего изучения этого”, - сказал Вазек.
Наполнено потенциалом
Изменения во вращении ядра — хотя их можно отследить и измерить — практически незаметны для людей на поверхности Земли, сказал Видале. Когда ядро вращается медленнее, мантия ускоряется. Этот сдвиг заставляет Землю вращаться быстрее, а продолжительность суток сокращается. Но такие сдвиги вращения приводят к увеличению продолжительности суток всего на тысячные доли секунды, сказал он.
«С точки зрения влияния на жизнь человека?» — сказал он. — «Не могу себе представить, что это что-то значит».
Ученые изучают внутреннее ядро, чтобы узнать, как сформировались глубокие недра Земли и как активность распространяется по всем подповерхностным слоям планеты. Таинственная область, где жидкое внешнее ядро обволакивает твердое внутреннее ядро, особенно интересна, добавил Видале. Как место, где встречаются жидкость и твердое вещество, эта граница “наполнена потенциалом активности”, как и граница ядро-мантия и граница между мантией и корой.
«У нас могут быть вулканы на границе внутреннего ядра, например, где твёрдое и жидкое вещество встречаются и движутся», — сказал он.
Поскольку вращение внутреннего ядра влияет на движение во внешнем ядре, считается, что вращение внутреннего ядра способствует усилению магнитного поля Земли, хотя для выяснения его точной роли требуются дополнительные исследования. И еще многое предстоит узнать об общей структуре внутреннего ядра, сказал Вазек.
«Новые и перспективные методы будут играть ключевую роль в поиске ответов на актуальные вопросы о внутреннем ядре Земли, в том числе о его вращении».
Спасибо за внимание! Будем благодарны за лайк и комментарий!
