Ядро нашей планеты остывает быстрее, чем ожидалось
4,5 миллиарда лет назад Земля была покрыта океаном магмы. В конце концов, поверхность затвердела, а тепловая энергия из нутра продолжала подпитывать такие важные динамические процессы, как мантийная конвекция, тектоника плит и вулканизм. Насколько холодна поверхность Земли? Приводит ли постоянное охлаждение к прекращению этих процессов? Группа исследователей изучила это явление и утверждает, что структурная активность, вызванная мантийной конвекцией, может ослабевать быстрее, чем ожидалось.
С момента своего формирования Земля выделила большое количество тепла из нутра на поверхность. Это тепло вызывает конвективное движение в мантии, которое, в свою очередь, вызывает структурную и вулканическую активность, наблюдаемую на поверхности. Но насколько динамична Земля? Чтобы выяснить это, исследователи решили определить теплопроводность материалов, находящихся глубоко в недрах Земли.
Процесс начинается на границе ядерного мандата, где расплавленное железо-никелевое ядро находится в непосредственном контакте с твердой силикатной мантией. Эта граница известна как самая большая тепловая граница Земли, и исследователи сообщают, что она имеет довольно крутой тепловой градиент. Поэтому большое количество тепла передается от ядра к мантии, в основном за счет теплопроводности и излучения. Самая глубокая часть мантии состоит в основном из бриджманита. Поэтому теплопроводность этого материала можно использовать для оценки скорости остывания мантии Земли.
Теплопроводность намного выше, чем ожидалось
Однако определить эту величину особенно сложно. Бриджманиты (формула MG, FE) SIO3) образуются при экстремальных давлениях в десятки гигапаскалей. В нижней мантии они также подвергаются воздействию экстремальных температур (по оценкам, на границе ядро-мантия температура составляет около 4100). Условия, затрудняющие их разведение в лабораторных условиях в экспериментальных целях.
Читайте также: На планетах, сильно отличающихся от Земли, может существовать жидкая вода
Группа исследователей из университетов Берна и Цюриха изучила эволюцию бесчисленных экзопланет и обнаружила, что их поверхности могут содержать жидкую..
Однако под руководством Мотоки Комлакама исследователи из Научного института Карнеги в Вашингтоне смогли разработать сложную систему измерений. Они смогли провести серию измерений радиационной теплопроводности бриджманита при давлении 80 гПа и температуре до 2440 К.
Используемые образцы бриджманита были синтезированы из оксидов (SiO2, MGO, FeO и Mg(OH)2) при высокой температуре (1450°C) и очень высоком давлении (24 гПа). Полученные кристаллы были помещены в ячейки, оснащенные алмазными наковальнями, нагреваемыми импульсным лазером. Использование суперконтинуумного зонда с короткой упаковкой и источником сверхвысокой светимости вместо обычного галогенного источника позволяет получать очень качественные спектры поглощения даже при очень высоких температурах и очень коротких измерениях (10 мс). Короткое время измерения позволяет ограничить нежелательное химическое расщепление, вызванное лазерным нагревом.
С помощью этой измерительной системы мы смогли показать, что теплопроводность бриджманита примерно в 1,5 раза выше, чем ожидалось», — говорится в заявлении команды. С учетом теплопроводности решетки (оцениваемой в 10 вт/мк), общая теплопроводность бриджманита составляет около 15,2 вт/мк. Это в 1,5 раза выше, чем прогнозировалось по результатам более ранних исследований.
Предсказанная ранее более высокая теплопроводность нижней мантии предполагает, что передача тепла от ядра к мантии происходит быстрее, чем считали ранее эксперты. Увеличение теплового потока способствует конвективному движению в мантии и ускоряет охлаждение планеты. Эффект? Тектоника плиты, поддерживаемая конвективным движением мантии, может сокращаться быстрее. Мураками объясняет это. «Наши результаты говорят о том, что Земля, а также другие каменистые планеты, такие как Меркурий и Марс, станут неактивными гораздо быстрее, чем ожидалось».
Исследование также показало, что быстрое охлаждение мантии приводит к изменениям в минералах, составляющих границу между ядром и мантией. Было обнаружено, что это явление действует как своего рода катализатор охлаждения. Во время охлаждения бриджманит превращается в минерал после перколяции. Этот минерал проводит тепло даже лучше, чем пламя бриджманита. Таким образом, если постпаровская мантия начинает преобладать в нижней мантии, охлаждение нижней мантии еще больше ускоряется.
Когда конвективное движение в мантии окончательно прекратится, Земля станет «мертвой» планетой. Когда это произойдет? На данный момент это невозможно предсказать, говорит Мураками. Мы еще недостаточно знаем о таких событиях, чтобы определить точное время. Кроме того, другие факторы, такие как распад радиоактивных элементов в кишечнике Земли, выделяют много тепла и влияют на динамику мантии. Все определенно можно сказать. Но мы не там, мы не там, чтобы увидеть, как это происходит».
