Jádro Země

Před sto lety věda sotva věděla, že Země má dokonce jádro. Dnes nás trápí jádro a jeho spojení se zbytkem planety. Opravdu jsme na začátku zlatého věku základních studií.

Od 90. let jsme věděli, jak Země reaguje na gravitaci Slunce a Měsíce, že planeta má husté jádro, pravděpodobně železo. V roce 1906 Richard Dixon Oldham zjistil, že vlny zemětřesení se pohybují středem Země mnohem pomaleji než přes plášť kolem něj - protože je kapalina.

V roce 1936 Inge Lehmann uvedl, že něco odráží seismické vlny zevnitř jádra. Bylo jasné, že jádro sestává z tlustého pláště tekutého železa - vnějšího jádra - s menším pevným vnitřním jádrem ve středu. Je pevná, protože v této hloubce vysoký tlak překonává účinek vysoké teploty.

V roce 2002 Miaki Ishii a Adam Dziewonski z Harvardovy univerzity publikovali důkazy o „nejvnitřnějším vnitřním jádru“ o délce asi 600 kilometrů. V roce 2008 navrhly Xiadong Song a Xinlei Sun jiné vnitřní jádro o průměru asi 1200 km. Těchto nápadů nelze dosáhnout, dokud ostatní nepotvrdí práci.

Cokoliv se naučíme, vyvolává nové otázky. Tekuté železo musí být zdrojem geomagnetického pole Země - geodynamo - ale jak to funguje? Proč geodynamo překlopí, přepne magnetický sever a na jih, za geologického času? Co se stane v horní části jádra, kde se roztavený kov setká se skalnatým pláštěm? Odpovědi se začaly objevovat v 90. letech.

Náš hlavní nástroj pro základní výzkum byly vlny zemětřesení, zejména ty z velkých událostí, jako je 2004 zemětřesení Sumatra. Prstencové „normální režimy“, které způsobují, že planeta pulzuje s takovými pohyby, jaké vidíte ve velké mýdlové bublině, jsou užitečné pro zkoumání hluboké struktury ve velkém měřítku.

Ale velký problém je nejednotnost—Jaký daný seismický důkaz lze interpretovat více než jedním způsobem. Vlna, která proniká do jádra, také prochází kůrou alespoň jednou a plášť alespoň dvakrát, takže prvek v seismogramu může vznikat na několika možných místech. Mnoho různých údajů musí být křížově zkontrolováno.

Bariéra nerovnoměrnosti zmizela poněkud, když jsme začali simulovat hlubokou Zemi v počítačích realistická čísla, a jak jsme reprodukovali vysoké teploty a tlaky v laboratoři s kosočtverečná kovadlina. Tyto nástroje (a délkové studie) nám umožnily nahlédnout do vrstev Země, až konečně můžeme uvažovat o jádru.

Vzhledem k tomu, že celá Země v průměru sestává ze stejné směsi látek, které vidíme jinde ve sluneční soustavě, jádro musí být železný kov spolu s nějakým niklem. Ale je to méně husté než čisté železo, takže asi 10 procent jádra musí být něco lehčího.

Představy o tom, co se tato lehká přísada vyvíjí. Síra a kyslík jsou kandidáty na dlouhou dobu a byl zvažován i vodík. V poslední době vzrostl zájem o křemík, protože vysokotlaké experimenty a simulace naznačují, že se může v roztaveném železe rozpustit lépe, než jsme si mysleli. Možná je tam více než jedno z nich. Navrhnout nějaký konkrétní recept vyžaduje hodně důmyslného uvažování a nejistých předpokladů - ale předmět není mimo všechny dohady.

Seismologové stále zkoušejí vnitřní jádro. Jádro je východní polokoule Zdá se, že se liší od západní polokoule ve způsobu, jakým jsou krystaly železa vyrovnány. Problém je těžké zaútočit, protože seismické vlny musí jít téměř přímo od zemětřesení, přímo přes zemské centrum, k seismografu. Události a stroje, které jsou uspořádány správně, jsou vzácné. A účinky jsou jemné.

V roce 1996 Xiadong Song a Paul Richards potvrdili předpověď, že vnitřní jádro se otáčí o něco rychleji než zbytek Země. Zdá se, že magnetické síly geodynama jsou zodpovědné.

Přes geologický čas, vnitřní jádro roste s ochlazováním celé Země. V horní části vnějšího jádra zmrznou krystaly železa a do vnitřního jádra prší. Na základně vnějšího jádra železo pod tlakem zamrzne a vezme s sebou hodně niklu. Zbývající tekuté železo je lehčí a stoupá. Tyto stoupající a klesající pohyby, které interagují s geomagnetickými silami, míchají celé vnější jádro rychlostí asi 20 kilometrů ročně.

Planeta Merkur má také velké železné jádro a magnetické pole, i když mnohem slabší než Země. Nedávné výzkumy naznačují, že jádro Merkuru je bohaté na síru a že podobný proces mrazení ho míchá, přičemž „padá železný sníh“ a stoupá kapalina obohacená o síru.

Základní studie prudce vzrostly v roce 1996, kdy počítačové modely Garyho Glatzmaiera a Paula Robertsa nejprve reprodukovaly chování geodynama, včetně spontánních zvratů. Hollywood dal Glatzmaierovi nečekané publikum, když použil své animace v akčním filmu Jádro.

Nedávná vysokotlaká laboratorní práce Raymonda Jeanloze, Ho-Kwanga (Davida) Maa a dalších nám poskytla rady ohledně hranice jádro-plášť, kde tekuté železo interaguje se silikátovou horninou. Experimenty ukazují, že materiály jádra a plášťů podléhají silným chemickým reakcím. Toto je oblast, z níž pochází mnoho chmýří pláště, které rostou do podoby míst jako je havajský řetězec, Yellowstone, Island a další povrchové prvky. Čím více se dozvíme o jádru, tím více se stane.

PS: Malá, úzce spletená skupina klíčových odborníků patří do skupiny SEDI (Study of the Deep Interior) a přečetla si její Hluboký dialog Země zpravodaj. A používají web Special Special for the Core jako centrální úložiště geofyzikálních a bibliografických dat.