Это внутреннее ядро заинтриговало исследователей с момента его открытия датским сейсмологом Инге Леманн в 1936 году, и то, как оно движется — скорость и направление его вращения — было предметом многолетних споров. Появляется все больше свидетельств того, что за последние годы скорость вращения ядра резко изменилась, но ученые по-прежнему расходятся во мнениях относительно того, что именно происходит и что это означает.
Отчасти проблема заключается в том, что земные недра невозможно наблюдать или брать пробы непосредственно. Сейсмологи собрали информацию о движении внутреннего ядра, изучив, как ведут себя волны от сильных землетрясений, которые достигают этой области. Колебания между волнами одинаковой силы, которые проходили через ядро в разное время, позволили ученым измерить изменения в положении внутреннего ядра и рассчитать его вращение, рассказывает CNN.
“Дифференциальное вращение внутреннего ядра было предложено как явление в 1970-х и 80-х годах, но сейсмологические данные были опубликованы только в 90-х годах”, - говорит доктор Лорен Вашек, старший преподаватель физических наук в Университете Джеймса Кука в Австралии.
Но исследователи спорили о том, как интерпретировать эти результаты, “в первую очередь из-за сложности проведения детальных наблюдений за внутренним ядром из-за его удаленности и ограниченности доступных данных”, - отмечает доктор Вашек. В результате “исследования, которые проводились в течение следующих лет и десятилетий, расходятся во мнениях относительно скорости вращения, а также его направления относительно мантии”, - добавила она. Некоторые исследования даже предположили, что ядро вообще не вращалось.
Одна из многообещающих моделей, предложенных в 2023 году, описывала внутреннее ядро, которое в прошлом вращалось быстрее, чем сама Земля, но теперь вращается медленнее. По словам ученых, какое-то время вращение ядра соответствовало вращению Земли. Затем оно замедлилось еще больше, пока ядро не стало двигаться назад относительно окружающих его слоев жидкости.
В то время некоторые эксперты предупреждали, что для подтверждения этого вывода требуется больше данных, и теперь другая группа ученых представила новые убедительные доказательства в пользу этой гипотезы о скорости вращения внутреннего ядра. Исследование, опубликованное 12 июня в журнале Nature, не только подтверждает замедление роста ядра, но и подтверждает предположение 2023 года о том, что это замедление является частью многолетней тенденции замедления и ускорения роста.
Новые результаты также подтверждают, что изменения скорости вращения происходят по 70-летнему циклу, рассказывает соавтор исследования доктор Джон Видейл, профессор наук о Земле в Дорнсайфском колледже литературы, искусств и наук Университета Южной Калифорнии.
“Мы спорили об этом в течение 20 лет, и я думаю, что это говорит само за себя, – говорит доктор Видейл. – Я думаю, мы закончили дискуссию о том, движется ли внутреннее ядро и какова была его закономерность за последние пару десятилетий”.
Но не все убеждены, что вопрос решен, и вопрос о том, как замедление движения внутреннего ядра может повлиять на нашу планету, все еще остается открытым, хотя некоторые эксперты говорят, что магнитное поле Земли может сыграть свою роль.
Твердое металлическое внутреннее ядро, находящееся на глубине около 3220 миль (5180 километров) внутри Земли, окружено жидкометаллическим внешним ядром. Внутреннее ядро состоит в основном из железа и никеля, и, по оценкам, оно такое же горячее, как поверхность Солнца — около 9800 градусов по Фаренгейту (5400 градусов по Цельсию).
Магнитное поле Земли воздействует на этот твердый шар из горячего металла, заставляя его вращаться. В то же время гравитация и течение жидкого внешнего ядра и мантии оказывают на ядро сопротивление. По словам Видейла, на протяжении многих десятилетий воздействие этих сил вызывает изменения скорости вращения ядра.
Хлюпанье богатой металлами жидкости во внешнем ядре генерирует электрические токи, которые питают магнитное поле Земли, защищающее нашу планету от смертоносной солнечной радиации. Хотя прямое влияние внутреннего ядра на магнитное поле неизвестно, ранее, в 2023 году, ученые сообщали, что замедленное вращение ядра потенциально может повлиять на него, а также немного сократить продолжительность суток.
Когда ученые пытаются “увидеть” всю планету насквозь, они обычно отслеживают два типа сейсмических волн: волны давления, или P-волны, и поперечные волны, или S-волны. По данным Геологической службы США, P-волны проходят через все типы веществ; S-волны проходят только через твердые тела или чрезвычайно вязкие жидкости.
В 1880-х годах сейсмологи заметили, что S-волны, генерируемые землетрясениями, не проходят через всю Землю, и поэтому они пришли к выводу, что ядро Земли расплавлено. Но некоторые P—волны, пройдя через ядро Земли, появлялись в неожиданных местах — “теневой зоне”, как назвала ее Инге Леман, - создавая аномалии, которые невозможно было объяснить. Леманн была первым ученым, кто предположил, что блуждающие P-волны могут взаимодействовать с твердым внутренним ядром внутри жидкого внешнего ядра, основываясь на данных о сильном землетрясении в Новой Зеландии в 1929 году.
Отслеживая сейсмические волны от землетрясений, которые проходили через внутреннее ядро Земли по сходным траекториям с 1964 года, авторы исследования 2023 года обнаружили, что вращение происходило по 70-летнему циклу. К 1970-м годам внутреннее ядро вращалось немного быстрее, чем планета. Примерно в 2008 году оно замедлилось, а с 2008 по 2023 год начало вращаться немного в обратном направлении относительно мантии.
Для нового исследования Видейл и его соавторы наблюдали сейсмические волны, вызванные землетрясениями в одних и тех же местах в разное время. Они обнаружили 121 пример таких землетрясений, произошедших в период с 1991 по 2023 год на Южных Сандвичевых островах, архипелаге вулканических островов в Атлантическом океане к востоку от самой южной оконечности Южной Америки. Исследователи также изучили проникающие в ядро ударные волны от советских ядерных испытаний, проведенных в период с 1971 по 1974 год.
По словам Видейла, когда ядро поворачивается, это влияет на время прихода волны. Сравнение времени прохождения сейсмических сигналов по мере их касания ядра выявило изменения во вращении ядра с течением времени, подтверждающие 70-летний цикл вращения. Согласно расчетам исследователей, ядро вот-вот готово снова начать ускоряться.
По сравнению с другими сейсмографическими исследованиями керна, которые измеряют отдельные землетрясения по мере их прохождения через керн — независимо от того, когда они происходят, — использование только парных землетрясений сокращает объем используемых данных, “что делает метод более сложным”, - подчеркивает Лорен Вашек. Однако, по словам Видейла, это также позволило ученым с большей точностью измерить изменения во вращении ядра. Если модель его команды верна, вращение ядра снова начнет ускоряться примерно через пять-десять лет.
Сейсмографы также показали, что в течение своего 70-летнего цикла вращение ядра замедляется и ускоряется с разной скоростью, “что требует объяснения”, - сказал Видейл. Одна из возможностей заключается в том, что внутреннее металлическое ядро не такое прочное, как ожидалось. По его словам, если ядро деформируется при вращении, это может повлиять на симметрию скорости его вращения.
Расчеты команды также показывают, что ядро имеет разную скорость вращения при движении вперед и назад, что добавляет “интересный вклад в дискуссию”, - говорит Вашек.
Но глубина и недоступность внутреннего ядра означают, что неопределенность сохраняется, добавила она. Что касается того, действительно ли закончились дебаты о ротации ядра, “нам нужно больше данных и усовершенствованных междисциплинарных инструментов для дальнейшего изучения этого вопроса", - сказала Вашек.
Изменения во вращении ядра, хотя их можно отследить и измерить, практически незаметны для людей на поверхности Земли, отмечает Видейл. Когда ядро вращается медленнее, мантия ускоряется. Этот сдвиг заставляет Землю вращаться быстрее, и продолжительность суток сокращается. Но, по его словам, такие ротационные сдвиги в продолжительности дня составляют всего лишь тысячные доли секунды.
Ученые изучают внутреннее ядро, чтобы узнать, как сформировались недра Земли и как связана активность во всех подповерхностных слоях планеты. Загадочная область, где жидкое внешнее ядро окружает твердое внутреннее ядро, особенно интересна, добавил Видейл. Как место, где встречаются жидкость и твердое вещество, эта граница “наполнена потенциалом для активности”, как и граница между ядром и мантией и граница между мантией и земной корой.
“Например, у нас могут быть вулканы на внутренней границе ядра, где твердое вещество и жидкость встречаются и движутся”, - сказал он.
Поскольку вращение внутреннего ядра влияет на движение во внешнем ядре, считается, что вращение внутреннего ядра способствует усилению магнитного поля Земли, хотя для выяснения его точной роли требуются дополнительные исследования. И еще многое предстоит узнать об общей структуре внутреннего ядра, сказала Вашек: “Новые и перспективные методологии будут играть центральную роль в ответе на текущие вопросы о внутреннем ядре Земли, включая вопрос о вращении”.