Co zawiera jądro Ziemi?

(Dan Tri) – Stałe jądro Ziemi składa się nie tylko z żelaza, ale zawiera również węgiel, tlen i krzem. To odkrycie otwiera rozwiązanie wielowiekowej zagadki, jak jądro formuje i utrzymuje pole magnetyczne, które chroni życie.

Jądro Ziemi może nie składać się tylko z żelaza, ale wydaje się, że zawiera również węgiel. Nowe badania wykazały, że zawiera również tlen i krzem (zdjęcie: Getty Images).

Bogate w żelazo jądro Ziemi odgrywa kluczową rolę w ewolucji planety. Nie tylko zasila pole magnetyczne – tarczę chroniącą atmosferę i oceany przed promieniowaniem słonecznym – ale także napędza tektonikę płyt, nieustannie przekształcając kontynenty.

Pomimo swojego znaczenia, wiele fundamentalnych właściwości jądra pozostaje tajemnicą: jak gorące jest, z czego się składa i kiedy zaczęło zamarzać? Niedawne odkrycie przybliża naukowców do odpowiedzi na wszystkie trzy pytania.

Temperaturę jądra wewnętrznego szacuje się na około 5000 kelwinów (4727°C). Początkowo ciekłe, jądro z czasem stygnie, krystalizując swoje stałe wnętrze i rozszerzając się na zewnątrz. To uwalnianie ciepła powoduje powstawanie prądów płyt tektonicznych.

Chłodzenie jest również źródłem ziemskiego pola magnetycznego. Znaczna część energii magnetycznej jest obecnie utrzymywana dzięki zamarzaniu płynnego jądra zewnętrznego, które zasila stałe jądro centralne.

Jednak bez bezpośredniego dostępu naukowcy są zmuszeni polegać na szacunkach, aby zrozumieć mechanizm chłodzenia i właściwości jądra. Aby to wyjaśnić, najważniejszym czynnikiem jest określenie jego temperatury topnienia.

Dzięki sejsmologii – nauce o falach sejsmicznych – wiemy dokładnie, gdzie przebiega granica między jądrami stałymi i ciekłymi. Temperatura na tej granicy jest jednocześnie temperaturą topnienia, czyli punktem, w którym rozpoczyna się zamarzanie.

Jeśli zatem uda się dokładnie określić temperaturę topnienia, ludzie będą mieli lepsze zrozumienie rzeczywistej temperatury jądra i jego składu chemicznego.

Tajemnicza chemia

Istnieją dwa główne podejścia do zrozumienia składu jądra Ziemi: badanie meteorytów i analiza danych sejsmicznych.

Meteoryty uważa się za „pozostałości” planet, które jeszcze się nie uformowały, lub fragmenty jąder zniszczonych planet. Ich skład chemiczny sugeruje, że jądro Ziemi składa się głównie z żelaza i niklu, prawdopodobnie z domieszką kilku procent krzemu lub siarki. Dane te mają jednak charakter wstępny i nie są wystarczająco szczegółowe, aby można je było uznać za ostateczne.

Sejsmologia z kolei oferuje znacznie bardziej szczegółowy obraz. Fale sejsmiczne powstające podczas trzęsień ziemi przemieszczają się przez Ziemię z różną prędkością, w zależności od materiału, przez który przechodzą. Porównując czasy dotarcia fal do stacji pomiarowych z wynikami eksperymentów dotyczącymi prędkości przemieszczania się w minerałach i metalach, naukowcy mogą budować modele wnętrza planety.

Wyniki pokazały, że jądro Ziemi jest o około 10% lżejsze od czystego żelaza. W szczególności płynne jądro zewnętrzne jest gęstsze niż stałe jądro wewnętrzne – paradoks, który można wyjaśnić jedynie obecnością pierwiastków śladowych.

Jednak nawet po zawężeniu zakresu możliwych składów, zagadka pozostaje nierozwiązana. Różne scenariusze wskazują na różnice temperatur topnienia sięgające setek stopni Celsjusza, co utrudnia precyzyjne określenie właściwości jądra.

Nowe ograniczenie

W nowym badaniu naukowcy wykorzystali fizykę minerałów, aby zrozumieć, w jaki sposób jądro Ziemi zaczęło zamarzać — jest to podejście bardziej szczegółowe niż meteorologia i sejsmologia.

Symulacje pokazują, że gdy atomy ciekłego metalu krystalizują w ciało stałe, każdy stop wymaga innego poziomu „przechłodzenia”, czyli obniżenia temperatury poniżej temperatury topnienia. Im intensywniejszy proces, tym większe prawdopodobieństwo zamarznięcia cieczy.

Na przykład wodę w zamrażarce można przechłodzić do temperatury -5°C na wiele godzin przed jej zamarznięciem, a krople wody w chmurach mogą zamienić się w grad już po kilku minutach w temperaturze -30°C.

Obliczenia sugerują, że maksymalne przechłodzenie jądra wynosi około 420°C poniżej jego temperatury topnienia. Gdyby zostało przekroczone, jądro wewnętrzne byłoby niezwykle duże w porównaniu z danymi sejsmicznymi. Tymczasem czyste żelazo potrzebowałoby 1000°C do krystalizacji, co jest niemożliwe, ponieważ całe jądro uległoby zestaleniu.

Dodanie krzemu lub siarki również nie pomaga, a może nawet spowodować dalsze przechłodzenie rdzenia.

Dopiero uwzględnienie węgla sprawia, że ​​obraz ten nabiera sensu. Jeśli 2,4% masy jądra stanowi węgiel, do zamrożenia jądra wewnętrznego potrzeba około 420°C; przy 3,8% węgla temperatura spada do 266°C. Znacznie bardziej prawdopodobna wartość. To pierwszy dowód na to, że węgiel odgrywa znaczącą rolę w krystalizacji jądra.

Rdzeń nie może jednak składać się wyłącznie z żelaza i węgla, ponieważ dane sejsmiczne wymagają obecności co najmniej jednego innego pierwiastka. Badania sugerują, że rdzeń może również zawierać tlen, a nawet krzem.

Źródło: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/loi-trai-dat-chua-dung-nhung-gi-20250923025913011.htm