Земля умеет удивлять: пока человечество отправляет аппараты к дальним планетам, глубины собственной планеты остаются почти неизведанными. Однако новые исследования позволили взглянуть на процессы, происходящие на границе ядра и мантии, и обнаружить там загадочные структуры, которые могут влиять на устойчивость магнитного поля.
Что происходит на границе ядра и мантии
Строение Земли в целом известно: сверху располагается кора, ниже — каменная мантия, затем жидкое внешнее ядро и твёрдое внутреннее ядро. Но механика взаимодействия между слоями остаётся одной из главных загадок геофизики.
На глубине около 3000 километров внешнее ядро представляет собой гигантский "океан" расплавленного железа и других элементов. Постоянное движение этой массы создаёт магнитное поле Земли - своеобразный щит, защищающий планету от солнечной радиации и космического излучения.
Эта система, называемая геодинамо, требует огромного количества энергии. Тепло, оставшееся со времён формирования планеты, постепенно уходит наружу — от ядра к мантии, а затем через кору к поверхности.
"Без такого теплообмена Земля могла бы стать похожей на Марс или Венеру, где магнитное поле слабое или отсутствует." — считает Астрофизик, обозреватель Pravda. ru Руднев Алексей Михайлович.
Загадочные "пузыри" под Африкой и Тихим океаном
Учёные давно заметили необычную картину в нижней мантии. Анализ сейсмических волн показал, что в двух огромных областях рядом с экватором — под Африкой и под Тихим океаном — волны распространяются медленнее, чем в других частях мантии.
Эти зоны называют большими базовыми структурами нижней мантии, или "блобами" — своеобразными "пузырями", состоящими из твёрдой породы. Они похожи на окружающую мантию, но могут отличаться температурой или химическим составом.
Такие различия важны, потому что температурные контрасты у основания мантии способны влиять на поведение жидкого ядра, а значит — на магнитное поле.
Почему эти структуры важны для магнитного поля
Движение мантии происходит крайне медленно — всего на миллиметры в год. Поэтому любые особенности, связанные с температурой и плотностью пород, могут сохраняться миллионы лет. Это означает, что влияние "блобов" на магнитное поле может быть очень длительным.
Авторы исследования получили новые данные, указывающие на то, что эти структуры действительно горячее окружающих пород. И их присутствие, вероятно, отражалось в магнитном поле Земли в течение последних сотен миллионов лет.
Как горные породы помогли увидеть древнее магнитное поле
Информацию о магнитном поле прошлого учёные получают из магматических пород. Когда лава застывает, минералы фиксируют направление магнитного поля в момент охлаждения. Эти "магнитные следы" сохраняются сотни миллионов лет.
Известно, что магнитное направление зависит от широты, но исследователи заметили интересный эффект: в породах возрастом до 250 миллионов лет направление также зависело от долготы. Особенно это проявлялось в низких широтах. Это натолкнуло учёных на мысль, что причиной могут быть загадочные "пузыри" в мантии. Об этом сообщает Andrew Biggin.
Что показало моделирование на суперкомпьютере
Решающим этапом стало сравнение реальных данных с компьютерными симуляциями геодинамо. Сначала учёные запускали модели, где тепло из ядра уходило равномерно по всей границе с мантией. Такие расчёты либо почти не давали продольных различий магнитного поля, либо приводили к хаотическому и нестабильному результату.
Однако ситуация изменилась, когда в моделирование добавили зоны, где тепло уходит хуже. Выяснилось: если в "блобах" поток тепла примерно вдвое ниже, чем в других частях мантии, магнитное поле приобретает структуру, похожую на ту, что зафиксирована в древних породах.
Кроме того, такое поле оказалось более устойчивым и реже "проваливалось" в слабые многополярные состояния.
Почему магнитное поле становится стабильнее
Учёные предполагают, что горячие "блобы" частично изолируют расплавленный металл под собой. Из-за этого в отдельных зонах ядра тепло теряется медленнее, жидкость становится менее подвижной и хуже участвует в генерации магнитного поля.
Такие застойные участки работают как своеобразный экран. Их сравнили с ситуацией, когда мобильный телефон теряет сигнал в металлической коробке: поле частично "приглушается", из-за чего возникают продольные особенности.
При этом в целом магнитное поле Земли остаётся похожим на поле огромного стержневого магнита, направленного вдоль оси вращения планеты, поэтому компас чаще всего показывает на север.
Земля с "блобами" и без них
Если представить, что "пузыри" в мантии отсутствуют, тепло из ядра уходило бы более равномерно. Это могло бы сделать магнитное поле менее стабильным и увеличить вероятность его резких изменений.
С "блобами" же часть ядра оказывается изолированной, что, судя по моделям, помогает магнитному полю сохранять устойчивость на геологических масштабах времени.
Популярные вопросы о "пузырях" в мантии Земли
Что такое "блобы" в мантии Земли?
Это огромные структуры в нижней мантии, отличающиеся температурой или составом и влияющие на движение тепла от ядра.
Могут ли эти структуры повлиять на жизнь на поверхности?
Косвенно — да. Если они помогают поддерживать магнитное поле, то участвуют в защите Земли от радиации и солнечного ветра.
Почему магнитное поле иногда меняется?
Поле создаётся движением жидкого металла во внешнем ядре. Если движение меняется, меняется и структура магнитного поля, включая возможные "сбои" и перестройки.