8 Minutės
Giliai po mūsų kojomis, milžiniškos ir nenuspėjamai elgsenos struktūros branduolio ir mantijos sandūroje iš naujo rašo Žemės susidarymo istorijos epizodus. Nauji geodinaminiai tyrimai rodo, kad šios struktūros gali būti likučiai iš skysto ankstyvosios Žemės, susimaišiusio su medžiaga prasiskverbusia iš branduolio — procesas, galėjęs reikšmingai formuoti planetos aušinimą, vulkanizmą ir galutinai jos gebėjimą palaikyti gyvybę.
Keistos konstrukcijos Žemės branduolio–mantijos sandūroje gali būti ankstyvųjų branduolio ir mantijos maišymosi palikimas, atskleidžiantis naujas užuominas, kaip mūsų planeta susiformavo, atvėso ir tapo unikalai tinkama gyventi.
Unraveling the deep anomalies: What scientists actually see
Seizmologai jau ilgą laiką aptinka du painius reiškinius, kurie yra maždaug 1 800 mylių (≈2 900 km) po Žemės paviršiumi: dideles žemas aptikimo greičio sritis (LLSVP) ir itin žemo greičio zonas (ULVZ). LLSVP – tai kolosalios sritys po Afrika ir Ramiojo vandenyno dugnu, kuriose seisminės kirpimo bangos ženkliai sulėtėja, rodydamos, kad ten gali būti karštesnis, tankesnis arba cheminiu požiūriu kitoks uolieninis sluoksnis. ULVZ – plonesnės, pleištinės zonos prie pat branduolio, kuriose bangos sulėtėja dar labiau, kas rodo iš dalies išlydytas arba cheminiu požiūriu pakeistas medžiagas.
Šios anomalijos nėra vien smalsumo objektai. Jų dydis, ilgaamžiškumas ir seisminis „parašas“ rodo sudėtį, kuri skiriasi nuo aplinkinio mantijos užpildo. Daugelį dešimtmečių modeliai, prasidedantys nuo globalaus magmos vandenyno — ankstyvosios skystos Žemės — nesugebėdavo reprodukuoti tokių nelygių liekanų. Geologai tikėjosi aiškių sluoksnių formavimosi aušinantis planetai; vietoj to seizmologija atskleidžia nereguliarus, klasterizuotus lopus mantijos pamatiniuose sluoksniuose.
A missing ingredient: Could the core have leaked?
Rutgers universiteto geodinamikos specialistas Yoshinori Miyazaki ir jo bendradarbiai siūlo drąsų sprendimą: medžiaga iš branduolio galėjo prasiskverbti į pamatinį magmos vandenyną planetos ankstyvojo aušinimo metu, susimaišydama su mantijos silikatais ir blokuodama tvarkingą cheminių sluoksnių susidarymą. Per milijardus metų tokia sumaišyta medžiaga galėjo sukietėti į cheminį mišinį, pakankamai išskirtinį, kad šiandien leistų aptikti LLSVP ir ULVZ seizminius signalus.
iliustracija vaizduoja atpjautą ankstyvosios Žemės vidinio sluoksnio vaizdą su karštu, ištirpintu sluoksniu virš branduolio ir mantijos ribos. Mokslininkai mano, kad dalis medžiagos iš branduolio pratekėjo į šį ištirpintą sluoksnį ir susimaišė. Laikui bėgant toks maišymasis prisidėjo prie šiandien matomos netolygių mantijos struktūrų kilmės.
Paprastai tariant: įsivaizduokite globalinį lavos vandenyną, kuriame metalais praturtintos lašelės iš branduolio kyla aukštyn ir maišosi su silikatiniu tirpalu. Auštant ir stingstant, vietoje tvarkingo cheminių sluoksnių susidarymo sistema užšąla į gumulus, juostas ir pleistrus — giliuosius heterogeniškumus, kuriuos dabar fiksuoja seismologiniai metodai.
Methods: How the team built the case
Hipotezei patikrinti tyrėjų komanda integravo tris Žemės mokslo šakas: seismines observacijas, kurios žemėlapyje atskleidžia greičio anomalijas; mineraloginę fiziką, kuri apriboja, kaip medžiagos elgiasi esant itin aukštam slėgiui ir temperatūrai; bei geodinamikos modelius, kurie simuliuoja srautus ir maišymąsi ankstyvajame mantijoje ir pamatiniame magmos vandenyne. Šių komponentų derinys leido parodyti, kad realistiškai modeliuojamas branduolio kilmės komponentas (pvz., papildomas silicis ir magnis bei lengvesni metaliniai elementai) pamatiniame magmos vandenyne gali sukurti seisminius parašus, atitinkančius ir LLSVP, ir ULVZ požymius.
Toks multidisciplininis požiūris yra esminis. Seizmologija identifikuoja anomalijas; mineralų fizika nurodo, kurios sudėtys ir fazės galėtų sukelti pastebėtus greičio sumažėjimus; o geodinaminiai modeliai patikrina, ar tokios sudėtys galėjo susiformuoti ir išlikti geologiniu mastu. Kartu šie metodai leidžia ne tik paaiškinti dabartinius duomenis, bet ir prognozuoti, kur panašios struktūros galėtų būti aptinkamos ateityje atliekant seizminius tyrimus.
Techniniai aspektai įtraukė jautrių parametrų analizę — pvz., medžiagos tankio kontrastus, skysčių klampumą aukštame slėgyje, paviršiaus įtempimo ir lašelių dispersijos mechanizmus bei branduolio ir mantijos cheminės sudėties galimus diapazonus. Modeliuose taip pat buvo atsižvelgiama į energijos sąnaudas maišantis, trintį srautuose ir laiko skalę, per kurią cheminiai heterogeniškumai stabilizuojasi prie mantijos pamatų. Tokios detalės leidžia susieti laboratorinius eksperimentus su seismologiniais stebėjimais ir skaitmeniniais modeliais.
Why this matters for Earth's habitability
Siesiant giliausius maišymosi procesus su paviršiaus gyvenamumu, ryšys iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti netiesioginis, tačiau pasekmės yra reikšmingos. Branduolio ir mantijos mainai veikia, kiek efektyviai planeta išskiria šilumą, kaip keičiasi mantijos konvekcija ir kur sutelkiamas vulkanizmas. Visa tai daro įtaką magnetinio lauko formavimuisi, volatilių (įskaitant vandenį ir klimatą veikiančias dujas) ciklams ir ilgalaikiam klimato stabilumui — veiksniams, kurie išskiria Žemę iš kaimyninių planetų.
Miyazaki pažymi: „Tai — ankstyvosios Žemės istorijos pirštų atspaudai.“ Supratus, kodėl egzistuoja šios struktūros, galima geriau suvokti planetos susidarymo aplinkybes ir priežastis, kodėl Žemė tapo tinkama gyventi. Co-autorius Jie Deng iš Prinstono dar priduria, kad giluminė mantija gali saugoti chemines atmintis apie senovinius branduolio–mantijos sąveikos įvykius, atverdama naujas interpretacijos galimybes planetų evoliucijai.
Ryšys tarp gilių procesų ir paviršinių sąlygų apima ir magnetosferos veikimą: branduolio išskiriama šiluma palaiko plazmodinamiką ir konvekciją skystame išoriniame branduolyje, o tai yra pagrindas tekėti geodinaminiam dinamiškumui, kuris generuoja Žemės magnetinį lauką. Magnetinis laukas savo ruožtu apsaugo atmosferą nuo dalelių srautų, padeda išlaikyti vandenį ilgalaikėje skalėje ir palaiko palankius klimato sąlygų svyravimus.
Surface connections: Hotspots, volcanism and atmosphere
Kai kurie mokslininkai dabar siūlo, kad LLSVP ir ULVZ gali maitinti mantijos kamienus, kurie sukelia vulkaninius „karštųjų taškų“ grandinius, tokius kaip Havajai ar Islandija. Jei šios giliausios sritys yra cheminiu požiūriu išskirtinės ir santykinai šiltesnės, jos gali veikti kaip ilgalaikiai kamienų šaltiniai — siejant pačią giliausią Žemės dalį su salų grandinėmis, užliejamomis magmos srutomis (flood basalts) ir paviršine degazacija, formuojančia atmosferą ir vandenynus.
Aiškinant, ar ir kaip branduolys prisidėjo prie šių rezervuarų, galima paaiškinti skirtumus tarp Žemės, Veneros ir Marso: vidinė dinamika, šilumos nuostoliai ir volatilių tiekimas formuoja paviršiaus sąlygas. Pavyzdžiui, veiksniai, leidę tęstiniam išsiskyrimui ir plokščių tektonikai Žemėje, galėjo būti iš dalies susiję su tuo, kaip giluminė struktūra maišėsi ir laisvino šilumą bei medžiagas per geologinę laikyseną.
Praktiniu požiūriu tokios hipotezės padeda susieti giliuosius geofizinius procesus su aplinkos ir klimato evoliucija, leidžiant geriau suprasti ilgalaikes geochemines pusiausvyros ir kraštovaizdžio transformacijos mechanizmus. Tai taip pat svarbu ieškantiems biosferos ženklų kitose planetose: kur planetos vidus pasiskirsto kitaip, ten ir paviršiaus potencialas palaikyti skystą vandenį bei stabilų klimatą gali skirtis kardinaliai.
Expert Insight
Planetų geofizikė dr. Laura Chen iš Institute for Planetary Physics teikia kontekstą: „Mintis, kad branduolio medžiaga galėjo įsiskverbti į pamatinį magmos vandenyną ir palikti cheminį pėdsaką, kurį mes vis dar galime identifikuoti, yra galinga. Ji jungia pradinius sąlyginius parametrus iš karto po planetos formavimosi su procesais, kontroliuojančiais vulkanizmą, magnetinius laukus ir volatilių ciklus. Šis darbas padeda užbaigti grandinę tarp giluminio interjero ir paviršiaus sąlygų, kurios leido Žemei tapti tinkama gyventi.“
Mokslininkų bendruomenei tyrimas pabrėžia, kad net ir giliausios struktūros gali saugoti ilgą planetos formavimosi atmintį. Kiekvienas naujas apribojimas iš seisminių vaizdų, laboratorinės mineralų fizikos eksperimentų ar pažangių geodinamikos simuliacijų koreguoja to naratyvo detales ir padeda lyginti Žemę su kitomis uolinėmis planetomis. Tokios tarpdalykės sinergijos stiprina mokslinį autoritetą ir leidžia pateikti labiau patikimus modelius apie mūsų planetos evoliuciją.
Next steps and future prospects
Ateities tyrimai sieks kiekybiškai nustatyti tikrąją branduolio kilmės medžiagos sudėtį ir tūrį pamatinėje mantijoje bei atsekti, kaip šie rezervuarai veikia mantijos konvekciją ir kamienų formavimąsi per geologinį laiką. Seisminių vaizdavimo metodų tobulinimas, aukšto slėgio laboratoriniai eksperimentai ir trimačiai ankstyvosios Žemės modeliai bus esminiai.
Be to, bus svarbu integruoti izotopinius duomenis, kuriuos galima išgauti iš labai senų uolienų arba iš skysto magmos junginių, rasti paviršiuje ar ekstremaliomis sąlygomis laboratorijoje. Izotopinė signalika (pvz., siderofilinių elementų santykiai arba neįprasti silicio, mangano ar geležies izotopų disproporcijos) gali suteikti tiesioginių įrodymų apie branduolio–mantijos mainų istoriją ir apie tai, kiek medžiagos buvo perkelta iš branduolio į mantiją ankstyvaisiais planetos gyvavimo etapais.
Kaip modeliai ir stebėjimai artėja vienas prie kito, netrukus galėsime „perskaityti“ giluminį interjerą kaip fosilinį įrašą — ne apie gyvenimą, bet apie paslėptus procesus, kurie padarė gyvenimą įmanomą mūsų planetoje. Tokia perpina gilesnį supratimą apie geodinamiką, seismologiją, mineralų fiziką ir planetų evoliuciją, leidžiančią užduoti naujus klausimus apie tai, kokios planetos gali išsaugoti stabilias sąlygas gyvybei ir kurių saugumo ribos yra daug siauresnės nei anksčiau manyta.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą