Согласно исследованию, проведенному учеными Техасского университета Института Карнеги, возраст внутреннего ядра нашей планеты составляет от 1 до 1,3 миллиарда лет.
Ядро Земли состоит преимущественно из никеля и железа и разделяется на расплавленное внешнее ядро толщиной около 2200 километров, переходную зону и твердое внутреннее ядро, радиус которого — примерно 1300 километров. Температура внутреннего ядра — около 6000 кельвинов, тогда как наружное имеет температуру 3800 кельвинов.
Разделение ядра Земли на внутреннее и внешнее было впервые обнаружено датским геофизиком Инге Леманн в 1936 году, когда она исследовала особенности распространения поперечных сейсмических волн (P-волн) от сильного землетрясения 1929 года с эпицентром в новозеландском городе Мерчисон. Леманн обнаружила так называемую теневую зону, где сейсмографы не регистрировали Р-волны землетрясения из-за их преломления на границе внешнего и внутреннего ядра.
С динамическими процессами вблизи границы между внутренним и внешним ядром связан эффект «магнитного динамо», при котором благодаря движению жидких масс генерируется магнитное поле Земли. Движения электропроводящей жидкости, которой и является наружная часть ядра, порождают магнитное поле Земли. Движения в ней складываются из двух составляющих.
Во-первых, это конвекция жидкости, происходящая из-за разности температур на границе с твердой частью ядра и на границе с мантией. Жидкость нагревается на границе с твердой фазой ядра, поднимается вверх, к мантии, там остывает и опускается вниз. Помимо тепловой конвекции, существует и композиционная, при которой легкие элементы выделяются на границе твердого ядра и поднимаются вверх через жидкое.
Вторая составляющая движения в жидкой фазе ядра — сила Кориолиса, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси. Поэтому в своем движении материя внешнего ядра, формирует петли. Теорема о циркуляции магнитного поля (четвертое уравнение Максвелла) показывает, что такие петли электрического тока порождают магнитное поле. Изменения этого магнитного поля по закону индукции Фарадея (третье уравнение Максвелла) порождают электрическое поле. Эти электрическое и магнитное поля совместно действуют на частицы (электрическое — на любые, магнитное — только на движущиеся) силой Лоренца, ускоряя по второму закону Ньютона их движение, и возникает петля положительной обратной связи. Если бы этого явления не существовало, Земля лишилась бы магнитосферы, а значит, и защиты от космического излучения.
Одной из ключевых характеристик формирования «магнитного динамо» служит теплопроводность железа в ядре. От ее величины зависит и возможный возраст внутреннего ядра. Раньше ученые полагали, что эта теплопроводность сравнительно низка, и из этого следовало, что внутреннее ядро сформировалось давно. Но постепенно оценка теплопроводности железа в условиях ядра повышалась, и это значило, что внутреннее ядро моложе, чем думали. Предполагалось, что внутреннее ядро затвердело лишь 565 миллионов лет назад. Но в таком случае становилось непонятным, как до этого момента существовало магнитное поле планеты, ведь в работе геомагнитного динамо играет важную роль внутреннее ядро, запускающее композиционную конвекцию. До его формирования, была возможна лишь тепловая конвекция, но чтобы на ее основе генерировалось магнитное поле, материал жидкого ядра должен был в течение миллиардов лет находиться при нереально высокой температуре.
Пытаясь объяснить это противоречие, профессор Юн Фу Линь (Jung-Fu Lin) из Техасского университета и его коллеги экспериментально оценили теплопроводность железа под огромным давлением и при температуре, сравнимой с температурой Солнца. Они сжимали образец железа между двумя алмазными наковальнями, достигнув давления около 170 гигапаскалей, и воздействовали на него лазером. Температура образца поднималась до 3000 кельвинов. Измеренная теплопроводность оказалась на 30–50 % меньше, чем ожидания в модели «молодого ядра». Это позволило ученым уточнить возраст внутреннего ядра. Ему оказалось не 565 миллионов лет, а 1–1,3 миллиарда. Магнитные материалы в породах, соответствующих этому периоду, подтверждают такой вывод, поскольку демонстрируют повышение напряженности магнитного поля. Оно произошло из-за того, что после образования твердого внутреннего ядра к тепловой конвекции добавилась композиционная, и это усилило работу «магнитного динамо». Теперь оба типа конвекции играют в этом процессе приблизительно равную роль.
Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
