Как Земля поддерживает свое магнитное поле?

Жизнь, как мы ее знаем, не могла бы существовать без магнитного поля Земли и ее способности отвлекать опасные ионизирующие частицы от солнечного ветра и галактических лучей. Оно непрерывно генерируется движением жидкого железа во внешнем ядре Земли — явление, называемое геодинамо.

Несмотря на его фундаментальное значение, многие вопросы остаются без ответа о происхождении геодинамики и источниках энергии, которые поддерживали его в течение тысячелетий.

Новая работа международной группы ученых исследует, как присутствие более легких элементов в преимущественно железном ядре может повлиять на генезис и устойчивость геодинамики. Их результаты опубликованы Nature Communications.

Наша планета нарастала из диска пыли и газа, который на заре времен окружал наше Солнце. В конце концов, самый плотный материал переместился внутрь в формирующейся планете, создавая слои, которые существуют сегодня — ядро, мантию и кору.

Хотя ядро ​​состоит преимущественно из железа, сейсмические данные показывают, что некоторые более легкие элементы, такие как кислород, кремний, сера, углерод и водород, были растворены в нем во время процесса дифференциации.

Со временем внутреннее ядро ​​кристаллизовалось и с тех пор непрерывно охлаждается. Может ли тепло, вытекающее из ядра в мантию, управлять геодинамикой? Или эта тепловая конвекция нуждается в дополнительном ускорении от плавучести легких элементов, а не только тепла, выходящих из конденсирующегося внутреннего ядра?

Понимание специфики химического состава ядра может помочь ответить на этот вопрос.

Силикаты преобладают в мантии, и после кислорода и железа кремний является третьим по распространенности элементом на Земле, поэтому он является вероятным вариантом для одного из основных более легких элементов, которые могут быть легированы железом в ядре.

Исследователи использовали лабораторную имитацию глубоких земных условий, чтобы смоделировать, как присутствие кремния повлияет на передачу тепла от железного ядра планеты в мантию.

«Чем легче теплопроводный материал ядра, тем ниже порог, необходимый для генерации геодинамики. При достаточно низком пороге тепловой поток из ядра может полностью управляться тепловой конвекцией, без необходимости дополнительного движения материала, чтобы заставить его работать».

Ученые обнаружили, что при концентрации примерно 8% кремния в их моделируемом внутреннем ядре геодинамика могла функционировать только за счет передачи тепла в течение всей истории планеты.

Заглядывая вперед, они хотят расширить свои усилия, чтобы понять, как присутствие кислорода, серы и углерода в ядре повлияет на этот процесс конвекции.

Wen-Pin Hsieh et al, Low thermal conductivity of iron-silicon alloys at Earth’s core conditions with implications for the geodynamo, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-17106-7