Žemės branduolys keičiasi: mokslui mažai žinomas reiškinys kuria paslaptingą naują sluoksnį

Žemės pluta sudaryta iš tektoninių plokščių, kurios šlifuojasi ir slenka viena po kita. Per milijardus metų šios subdukcijos (Žemės plutos plokštės krašto judėjimo į šonus ir žemyn į po kita plokšte esančią mantiją) zonos pernešė vandenį į apatinę mantijos dalį.

Kai šis vanduo pasiekia branduolio ir mantijos ribą, esančią maždaug 2900 km po paviršiumi, jis sukelia galingą cheminę sąveiką. Pietų Korėjos, JAV ir Vokietijos komanda įrodė, kad dėl to viršutiniame branduolio sluoksnyje susidaro daug vandenilio, o į apatinę mantiją patenka silicio dioksidas.

„Daugelį metų buvo manoma, kad medžiagų mainai tarp Žemės branduolio ir mantijos yra menki, – sako Arizonos valstybinio universiteto medžiagų mokslininkas Danas Shimas. – Tačiau mūsų naujausi aukšto slėgio eksperimentai atskleidžia kitokią istoriją. Nustatėme, kad kai vanduo pasiekia branduolio ir mantijos ribą, jis reaguoja su šerdyje esančiu siliciu, sudarydamas silicio dioksidą“.

Geležies ir nikelio mišinys išoriniame branduolyje atlieka svarbų vaidmenį kuriant Žemės magnetinį lauką, kuris iš esmės apsaugo gyvybę planetoje nuo Saulės vėjo ir radiacijos. Todėl svarbu suprasti, kaip veikia ir kaip laikui bėgant evoliucionavo Žemės vidus.

Žemės branduolio ir mantijos riba gana smarkiai keičiasi iš silikatinės į metalinę – o apie cheminius mainus žinoma nedaug.

Prieš kelis dešimtmečius tyrėjai, fiksuojantys seismines bangas Žemės viduje, užfiksavo ploną vos kelių šimtų kilometrų storio sluoksnį – tačiau iki šiol niekas nežinojo, iš kur atsirado šis siūlomas „E prime“ sluoksnis.

„Manome, kad tokie cheminiai mainai tarp branduolio ir mantijos, vykstantys per ilgus vandens pernešimo metus, galėjo prisidėti prie numanomo „E Prime“ sluoksnio susidarymo“, – rašo tyrėjų komanda.

Seismologai žemėlapyje užfiksavo keletą neįprastų savybių, kurios leidžia manyti, kad šis pakitęs skysto metalo sluoksnis yra mažiau tankus ir pasižymi mažesniu seisminiu greičiu.

Manoma, kad šie tankio skirtumai susiję su skirtinga lengvųjų elementų – pavyzdžiui, vandenilio ar silicio – koncentracija.

Tačiau padidėjus vieno lengvojo elemento koncentracijai, greitis padidėtų, o tankis sumažėtų – todėl sunku suderinti seisminį stebėjimą ir dinaminį „E prime“ sluoksnio stabilumą.

Kaip galimas paaiškinimas buvo pateiktas vieno lengvojo elemento koncentracijos didėjimas kito elemento koncentracijai mažėjant. Tačiau mokslininkai nieko nežino apie tokį mainų procesą.

Komanda naudojo lazeriu įkaitintas deimantines kameras, kad imituotų slėgio ir temperatūros sąlygas branduolio ir mantijos pasienyje.

Tyrimai parodė, kad į Žemės branduolį perneštas vanduo galėjo chemiškai reaguoti su ten esančiomis medžiagomis ir paversti išorinį branduolį vandeniliu turtinga plėvele bei išsklaidyti silicio dioksido kristalus, kurie pakyla ir prisijungia prie mantijos.

Branduolio viršuje susidaręs daug vandenilio turinčios ir mažai silicio turinčios medžiagos sluoksnis būtų mažesnio tankio ir mažesnio greičio – o tai atitiktų seisminių bangų stebėjimus.

Pakitusi branduolio plėvelė savo ruožtu gali turėti didelę įtaką giluminiam vandens ciklui, o komanda teigia, kad jų rezultatai leidžia manyti, jog pasaulinis vandens ciklas yra sudėtingesnis, nei manėme.

„Šis atradimas, kartu su mūsų ankstesniais stebėjimais, kai deimantai susidarė vandeniui reaguojant su anglimi geležies skystyje esant itin dideliam slėgiui, – sako D. Shimas, – rodo kur kas dinamiškesnę branduolio ir mantijos sąveiką, o tai leidžia manyti, kad vyksta dideli medžiagų mainai.“

Tyrimas paskelbtas žurnale „Nature Geoscience“.

Parengta pagal „Science Alert“.