Вода з поверхні Землі може проникати вглиб планети, і нове дослідження пояснює, як вона змінює зовнішню область металевого рідкого ядра.
Це відкриття може пояснити наявність тонкого шару матеріалу всередині планети, який десятиліттями ставив геологів у глухий кут.
Земна кора складається з тектонічних плит, які шліфуються і ковзають одна під одною; протягом мільярдів років ці зони субдукції транспортували воду в нижню мантію.
Коли ця вода досягає межі ядра і мантії, приблизно на 2900 кілометрів (1800 миль) під поверхнею, вона починає потужну хімічну взаємодію. Команда з Південної Кореї, США та Німеччини показала, що це створює верхній шар ядра, багатий на водень, і відправляє кремнезем до нижньої мантії.
“Протягом багатьох років вважалося, що обмін речовиною між ядром і мантією Землі є незначним, – каже матеріалознавець Ден Шим з Університету штату Арізона.
“Проте наші нещодавні експерименти під високим тиском показали іншу історію. Ми виявили, що коли вода досягає межі ядра і мантії, вона вступає в реакцію з кремнієм в ядрі, утворюючи кремнезем”.
Ілюстрація земних надр, що демонструє субдукцію води. (Університет Йонсей)
Суміш заліза та нікелю в зовнішньому ядрі відіграє важливу роль у створенні магнітного поля Землі, яке, по суті, захищає життя на планеті від сонячного вітру та радіації. Тому важливо розуміти, як працюють нутрощі Землі та як вони еволюціонували з плином часу.
Межа між ядром і мантією Землі досить різко змінюється від силікатної до металевої, і про хімічні обміни, що відбуваються в ній, відомо небагато.
Десятиліття тому дослідники, реєструючи сейсмічні хвилі через липкі нутрощі Землі, задокументували тонкий шар товщиною трохи більше кількох сотень кілометрів, але до цього часу ніхто не знав, звідки взявся цей передбачуваний “первинний” шар E prime.
“Ми припускаємо, що такий хімічний обмін між ядром і мантією протягом гіга років глибинного перенесення води міг сприяти утворенню передбачуваного шару E prime”, – пише команда.
Сейсмологи нанесли на карту деякі незвичайні особливості, які вказують на те, що цей змінений рідкий металевий шар буде менш щільним і матиме повільнішу сейсмічну швидкість. Вважається, що ці відмінності в щільності пов’язані з різною концентрацією легких елементів, таких як водень або кремній.
Але збільшення концентрації одного легкого елемента призведе до зростання швидкості, тоді як густина зменшиться, що ускладнює узгодження сейсмічних спостережень і динамічної стабільності первинного шару E.
Збільшення концентрації одного легкого елемента при зменшенні концентрації іншого було висунуто як можливе пояснення. Однак вчені не знали про такий процес обміну.
Команда використовувала нагріті лазером алмазні комірки-ковадла для імітації температурно-тискових умов на межі ядра і мантії.
Вони показали, що вода, яка опускається в ядро Землі, може вступати в хімічну реакцію з тамтешніми матеріалами, перетворюючи зовнішнє ядро на багату воднем плівку і диспергуючи кристали кремнезему, які піднімаються і з’єднуються з мантією.
Ілюстрація кристалів кремнезему, що виходять з рідкого металу зовнішнього ядра Землі внаслідок хімічної реакції, яка викликана субдукцією води. (Дан Шим/ASU)
Шар багатого на водень і бідного на кремній матеріалу, який утворюється у верхній частині ядра, матиме меншу щільність і меншу швидкість, що відповідає спостереженням сейсмічних хвиль.
Змінена плівка ядра може, в свою чергу, мати значний вплив на глибоководний кругообіг води, і команда каже, що їхні результати свідчать про більш складний глобальний кругообіг води, ніж ми думали.
“Це відкриття, разом з нашим попереднім спостереженням за алмазами, що утворюються з води, яка реагує з вуглецем у залізній рідині під екстремальним тиском, – каже Шим, – вказує на набагато динамічнішу взаємодію ядра з мантією, що свідчить про значний обмін матеріалами”.
Дослідження опубліковане в журналі Nature Geoscience..