Co zawiera jądro Ziemi?

(Gazeta Dan Tri) – Stałe jądro Ziemi składa się nie tylko z żelaza, ale zawiera również węgiel, tlen i krzem. To odkrycie otwiera drogę do rozwiązania wielowiekowych zagadek dotyczących tego, jak jądro formuje i utrzymuje swoje pole magnetyczne, chroniące życie.

Jądro Ziemi nie może składać się wyłącznie z żelaza; wydaje się, że zawiera również węgiel. Nowe badania wykazały, że zawiera ono 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 w rzeczywistości, z czego się składa i kiedy zaczyna zamarzać? Niedawne odkrycie przybliżyło naukowców do odpowiedzi na wszystkie trzy pytania.

Szacuje się, że temperatura jądra wewnętrznego wynosi około 5000 kelwinów (4727°C). Początkowo w stanie ciekłym, jądro stopniowo ochładza się z czasem, krystalizując się w stały składnik i rozszerzając się na zewnątrz. To uwalnianie ciepła powoduje przepływy płyt tektonicznych.

Chłodzenie jest również źródłem ziemskiego pola magnetycznego. Znaczna część dzisiejszej energii magnetycznej jest podtrzymywana przez zamarzanie płynnego jądra zewnętrznego, które zasila stałe jądro w jego centrum.

Ponieważ jednak bezpośredni dostęp jest niemożliwy, naukowcy są zmuszeni polegać na szacunkach, aby zrozumieć mechanizmy chłodzenia i właściwości jądra. Aby to wyjaśnić, najważniejszym czynnikiem jest określenie jego temperatury topnienia.

Dzięki sejsmologii – nauce badającej fale sejsmiczne – wiemy dokładnie, gdzie przebiega granica między jądrami stałymi i ciekłymi. Temperatura na tej granicy jest również temperaturą topnienia, punktem początkowym zamarzania.

Gdyby więc udało się precyzyjnie określić temperaturę topnienia, ludzie lepiej zrozumieliby rzeczywistą temperaturę jądra i jego wewnętrzny skład chemiczny.

Tajemnicza chemia

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

Meteoryty są uważane za „pozostałości” planet, które jeszcze się nie uformowały, lub fragmenty jąder planet, które już uległy zniszczeniu. Ich skład chemiczny sugeruje, że jądro Ziemi składa się głównie z żelaza i niklu, prawdopodobnie z niewielką domieszką krzemu lub siarki. Dane te są jednak jedynie wstępne i niewystarczająco szczegółowe, aby cokolwiek ostatecznie potwierdzić.

Tymczasem sejsmologia dostarcza znacznie bardziej konkretnego obrazu. Fale sejsmiczne powstające podczas trzęsień ziemi, przemieszczając się przez Ziemię, zmieniają prędkość w zależności od rodzaju materiału, przez który przechodzą. Porównując czas potrzebny falom na dotarcie do stacji monitorujących z wynikami eksperymentów dotyczących prędkości transmisji w minerałach i metalach, naukowcy mogą konstruować modele wewnętrznej struktury planety.

Wyniki pokazują, że jądro Ziemi jest o około 10% lżejsze od czystego żelaza. Co ciekawe, jądro zewnętrzne, które jest w stanie ciekłym, ma większą gęstość niż jądro wewnętrzne – paradoks, który można wyjaśnić jedynie obecnością pierwiastków obcych.

Jednak nawet po zawężeniu możliwego składu, problem pozostaje nierozwiązany. Różne scenariusze wskazują na różnice temperatur topnienia sięgające setek stopni Celsjusza, co utrudnia precyzyjne określenie podstawowych właściwości.

Nowe ograniczenie

W nowych badaniach naukowcy wykorzystali mineralogię, 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 silniejszy jest ten proces, tym łatwiej zamarza ciecz.

Na przykład woda w zamrażarce może pozostać ekstremalnie zimna, osiągając temperaturę -5°C, przez wiele godzin, zanim zamarznie, podczas gdy kropla wody w chmurze w temperaturze -30°C zamienia się w grad w ciągu zaledwie kilku minut.

Obliczenia pokazują, że maksymalna temperatura przechłodzenia jądra wynosi około 420°C poniżej jego temperatury topnienia. Jeśli ta temperatura zostanie przekroczona, jądro wewnętrzne będzie niezwykle duże w porównaniu z danymi sejsmicznymi. Tymczasem czyste żelazo potrzebuje 1000°C do krystalizacji, co jest niemożliwe, ponieważ całe jądro uległoby wówczas zestaleniu.

Dodanie krzemu lub siarki nie pomoże; może nawet zaistnieć konieczność dalszego przechłodzenia 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 sugerujący, że węgiel odgrywa kluczową rolę w procesie krystalizacji jądra.

Jednak rdzeń nie mógł składać się wyłącznie z żelaza i węgla, ponieważ dane sejsmiczne sugerują obecność co najmniej jednego innego pierwiastka. Badania sugerują możliwość, że rdzeń zawiera również tlen, a nawet krzem.

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