Новые лабораторные исследования помогли с большей точностью установить, на каком отрезке истории Земли ее ядро дифференцировалось на жидкий внешний и твердый внутренний компоненты. Это знаменательное событие, повлиявшее на формирование современного механизма магнитного геодинамо, произошло в промежутке от 1,3 до 1 миллиарда лет назад. О результатах экспериментальной работы сообщает в издании Physical Review Letters коллектив ученых из Школы геонаук Джексона (Техасский университет в Остине).
Твердое ядро и магнитное поле
Согласно современной модели, геомагнитное поле генерируется в ядре за счет перемещения потоков в жидком проводящем слое. Ядро состоит преимущественно из железа (этот элемент – один из наиболее распространенных в Солнечной системе) и, судя по анализу состава железных метеоритов, содержит некоторую примесь никеля, кислорода, кремния и сульфидных соединений. Такой состав прекрасно обеспечивает электропроводность жидкого слоя.
Существует два механизма, ответственных за формирование конвекционных потоков в жидкой части ядра. Первый – тепловой – возникает благодаря колебаниям температуры в веществе, подверженном действию силы тяготения. Другой механизм – композиционный – осуществляется за счет переноса относительно легких компонентов, высвобождающихся на границе между жидким и твердым ядром.
В генерации современного геомагнитного поля участвуют оба механизма. Однако в течение долгого времени в жидком и очень горячем ядре действовал лишь тепловой конвекционный перенос вещества – до тех пор, пока вследствие остывания не началась кристаллизация составляющего ядро железа. Рост кристаллического ядра сопровождался высвобождением более легких веществ и их перемещением в толще жидкого слоя.
С появлением внутри ядра твердого компонента магнитное поле планеты должно было усилиться. Однако вопрос о том, когда именно это произошло, долгое время оставался открытым.
Рукотворная крупица земного ядра
По данным палеомагнитных исследований, в истории Земли было несколько значительных изменений геомагнитного поля. Поэтому и оценки возраста кристаллического ядра, сделанные на основе изучения палеомагнетизма, сильно колеблются. Так, одно из усилений поля произошло около 565 миллионов лет назад, и многие ученые связывали это событие с появлением в составе ядра твердого компонента.
Задача исследователей состояла в том, чтобы установить, сколько времени полностью жидкое ядро могло оставаться столь горячим, чтобы тепловая конвекция в нем могла поддерживать действие геодинамо. Идея эксперимента, который помог бы ответить на этот вопрос, состояла в тщательном измерении тепловой и электрической проводимости железа в экстремальных условиях, соответствующих центральным областям планеты. Для этого потребовалось достичь сочетания температуры около 3000 кельвинов (2727 °C) и давления приблизительно 170 гигапаскалей (такое давление более чем в миллион раз превышает атмосферное).
Образцы железа в опыте помещались в двухступенчатую алмазную наковальню и нагревались лазерным импульсом. Успешная постановка этого сложного эксперимента потребовала от ученых двух лет работы.
Выяснилось, что проводимость жидкого железа в таких условиях на 30–50 процентов уступает величине, необходимой для принятия минимальной возможной оценки возраста твердого компонента ядра – 565 миллионов лет. Это означает, что ядро стало остывать значительно раньше. Численное моделирование показало, что со времени этого важного изменения прошло около 1,3–1 миллиарда лет.
Полученный результат хорошо согласуется с палеомагнитными данными: известно, что приблизительно в этом интервале времени случился один из скачков напряженности геомагнитного поля. По-видимому, именно тогда начал складываться современный режим функционирования геомагнитного динамо, а природу более позднего события еще предстоит выяснить. В дальнейшем исследователи планируют оптимизировать методику моделирования, с тем чтобы еще более точно установить дату рождения твердого ядра Земли.
