Из ядра Земли уходит больше тепла, чем ожидалось. Это значит, что наша планета остывает слишком быстро. Об этом свидетельствует результат лабораторных исследований швейцарских ученых из Высшей технической школы (ETH) в Цюрихе.
Тепло недр Земли управляет важными геологическими процессами, такими как тектоника плит, горообразование и вулканизм, а также поддерживает работу геодинамо - движение огромной массы расплавленного железа во внешнем ядре Земли. Без этих процессов Земля была бы гораздо менее гостеприимной и, возможно, такой же мертвой, как Луна или Марс.
Огромный резервуар тепла, который большей частью находится в ядре Земли, не является неисчерпаемым: тепло постоянно проникает из ядра в мантию и далее наружу - в результате планета постепенно остывает. "Это поднимает вопрос, насколько быстро Земля теряет тепло и как долго она может оставаться динамично активной", - объясняет исследовательский интерес своей команды профессор ETH Мотохико Мураками.
Решающее значение для ответа имеет граница между ядром и мантией - именно здесь горячий жидкий железоникелевый расплав внешнего ядра Земли встречается с вязкой мантийной породой, которая примерно на тысячу градусов холоднее. "Разница температур между двумя этими слоями очень велика. Это термальная граница Земли", - говорят ученые. И, таким образом, здесь в значительной степени определяется, сколько тепла может выйти из ядра Земли и как быстро планета теряет его в целом.
Пограничный слой образован в основном минералом бриджманитом. И до сих пор было сложно оценить, сколько тепла этот минерал проводит от ядра в мантию. Этот вопрос был предметом споров: для измерения теплопроводности бриджманита давление и температура должны соответствовать таковым у нижнего предела мантии Земли, и измерительные системы должны выдерживать такие экстремальные условия.
Команде Мураками удалось разработать такую измерительную систему.
В лабораторных исследованиях ученые использовали монокристаллические образцы бриджманита. Образцы помещались по одному в ячейку с алмазной наковальней и подвергались давлению в 80 гигапаскалей. С помощью лазера постепенно нагревали образец кристалла бриджманита примерно до 2200 градусов. Тем временем специальный спектроскоп фиксировал исходящее от кристалла излучение - прибор измеряет теплопроводность и состояние кристаллической решетки.
Результат показал: бриджманит проводит тепло в 1,5 раза лучше, чем предполагалось ранее на основе геофизических моделей.
Это означает, что на границе из ядра в мантию поток тепла значительно больше, чем считалось ранее. Если земное ядро передает больше тепла мантии, недра планеты также остывают быстрее: сильные конвекционные течения обеспечивают быстрый перенос тепла на поверхность и его потерю там. Поэтому наша планета может остыть быстрее, чем ожидалось.
Что это означает для будущего Земли? "Наши результаты могут дать новый взгляд на эволюцию динамики Земли", - говорит Мураками. - Они указывают на то, что Земля, как и другие планеты, например Меркурий и Марс, остывает и становится неактивной гораздо быстрее, чем ожидалось".
Однако ученые не могут предсказать, сколько времени потребуется, чтобы конвекционные потоки в мантии остановились. "Пока это определить невозможно: еще нет таких методов и инструментов", - говорит Мураками. К тому же распад радиоактивных элементов в земных недрах тоже существенно влияет на механизм мантийной конвекции. И это тоже предстоит ученым выяснить.