Учёные нашли непонятные «пузыри» в мантии Земли, регулирующие её магнитное поле

Хотя мы уже отправили зонды на миллиарды километров в межзвёздное пространство, люди совсем немного углубились под поверхность нашей собственной планеты, не проникнув даже через тонкую земную кору.

Информация о глубинных слоях Земли поступает в основном из геофизики и является очень ценной. Мы знаем, что она состоит из твёрдой коры, каменной мантии, жидкого внешнего ядра и твёрдого внутреннего ядра. Но что именно происходит в каждом слое — и между ними — остаётся загадкой. В новых исследованиях ^[1] мы используем магнетизм нашей планеты, чтобы пролить свет на наиболее значимую конструкцию во внутренней части Земли: границу между ядром и мантией.

Примерно в 3000 км под нашими ногами внешнее ядро Земли, непостижимо глубокий океан расплавленной железосодержащей смеси, бесконечно бурлит, создавая глобальное магнитное поле, простирающееся далеко в космос. Поддержание этого «геодинамо» и созданного им в течение нескольких миллиардов лет силового поля планеты (защищающего Землю от вредного излучения) требует огромного количества энергии.

Это тепло появилось в ядре во время формирования Земли. Но оно приводит в действие геодинамо, распространяясь изнутри наружу, перемещаясь к более холодной твёрдой породе, плавающей над мантией. Без этого массивного внутреннего переноса тепла от ядра к мантии и, в конечном итоге, через кору к поверхности, Земля была бы похожа на наших ближайших соседей Марс и Венеру: она была бы мёртвой с магнитной точки зрения.

Внезапные блобы

Карты, показывают, как быстро сейсмические волны (колебания акустической энергии), проходящие через каменную мантию Земли, изменяются в её нижней части, непосредственно над ядром. Особенно примечательны две обширные области вблизи экватора под Африкой и Тихим океаном, где сейсмические волны распространяются медленнее ^[2], чем в других местах.

Что делает эти «большие базовые структуры нижней мантии ^[3]» [big lower-mantle basal structures, blobs], или «блобы» [blob по-английски «пузырь» / прим. перев.], особенными, пока неясно. Они состоят из твёрдой породы, похожей на окружающую мантию, но могут отличаться по температуре, и/или составу.

Сильные колебания температуры в основании мантии, как можно ожидать, влияют на лежащее под ней жидкое ядро и магнитное поле, которое там генерируется. Температура твёрдой мантии изменяется, а её движение происходит с исключительно низкой скоростью (миллиметры в год), поэтому любые магнитные особенности, вызванные сильными температурными контрастами, должны сохраняться в течение миллионов лет.

От горных пород к суперкомпьютерам

Наше исследование приводит новые доказательства того, что эти «блобы» горячее, чем окружающая их нижняя мантия. И это оказало заметное влияние на магнитное поле Земли, по крайней мере, в течение последних нескольких сотен миллионов лет.

Когда магматические породы ^[4], представляющие собой недавно затвердевшую магму, остывают на поверхности Земли под воздействием её магнитного поля, они приобретают постоянный магнетизм, который выравнивается по направлению этого поля в данный момент времени и в данном месте.

Уже хорошо известно, что это направление меняется в зависимости от широты. Однако мы наблюдали, что магнитные направления, зафиксированные в горных породах возрастом до 250 миллионов лет, также, по-видимому, зависели от того, где эти породы образовались по долготе. Этот эффект был особенно заметным ^[1] в низких широтах. Поэтому мы задались вопросом, не могут ли «блобы» быть причиной этого.

Решающим фактором стало сравнение этих магнитных наблюдений с симуляциями геодинамо, запущенными на суперкомпьютере. Один набор был запущен с предположением, что скорость потока тепла от ядра к мантии одинакова везде. Они либо показали очень небольшую тенденцию к изменению магнитного поля по долготе, либо поле, которое они создавали, сводилось к постоянному хаотическому состоянию, что также не соответствует наблюдениям.

Напротив, когда мы поместили на поверхность ядра структуру, включающую сильные колебания количества тепла, поглощаемого мантией, магнитные поля вели себя по-другому. Наиболее показательно, что при допущении, что скорость потока тепла в «блобах» была примерно в два раза ниже, чем в других, более холодных частях мантии, магнитные поля, созданные в симуляциях, содержали продольные структуры, напоминающие записи из древних пород.

Ещё одним открытием было то, что эти поля были менее склонны к коллапсу. Таким образом, добавление «блобов» позволило нам воспроизвести наблюдаемое стабильное поведение магнитного поля Земли в более широком диапазоне.

По-видимому, два горячих «блоба» изолируют жидкий металл под ними, предотвращая потерю тепла, которая в противном случае привела бы к тепловому сжатию жидкости и её оседанию в ядре. Поскольку именно поток жидкости в ядре генерирует большее магнитное поле, эти застойные скопления металла не участвуют в процессе геодинамо.

Как мобильный телефон может потерять сигнал, если его поместить в металлический ящик, так и эти неподвижные области проводящей жидкости действуют как «экран», заслоняющий магнитное поле, создаваемое циркулирующей жидкостью ниже. Таким образом, огромные «блобы» привели к появлению характерных продольных изменений в форме и изменчивости магнитного поля Земли. И это нашло отражение в том, что было зафиксировано в горных породах, образовавшихся в низких широтах.

В большинстве случаев форма магнитного поля Земли очень похожа на форму, которая была бы создана стержневым магнитом, выровненным по оси вращения планеты. Именно это заставляет магнитный компас в большинстве случаев указывать почти на север в большинстве мест на поверхности Земли.

В геологической истории многократно происходили коллапсы мантии в слабые многополярные состояния, но они довольно редки, и поле, похоже, довольно быстро восстанавливалось после этого. По крайней мере, в симуляциях «блобы» способствуют этому.

Таким образом, хотя нам ещё многое предстоит узнать о том, что это за «блобы» и как они возникли, возможно, мы должны быть им очень благодарны за то, что они помогают поддерживать магнитное поле стабильным и полезным для человечества.