Сърцето на Земята

Как науката изследва въртенето на вътрешното ядро на планетата и тектоничните процеси

В края на януари сп. Nature Geoscience публикува данни на учени от Пекинския университет, които въз основа на сеизмични анализи твърдят, че през 2009 г. вътрешното ядро на Земята е спряло да се върти по-бързо от останалата част на планетата. Тяхното твърдение доведе до спорове в научните среди за влиянието на земното ядро върху процесите, протичащи на планетата. А медиите не пропуснаха да засилят интереса към темата със заглавия от рода: „Ядрото на Земята спря да се върти!“, „Ядрото на Земята обръща посоката си на въртене и това вещае промени“ и други подобни.
Дни след трагедията, причинена от земетресенията в Турция и Сирия, в ранния следобед на 14 февруари и нас ни разлюля. Не любовта, не виното, а Земята. Едни се уплашиха от труса в Румъния, усетен и в България, други бяха подранили с празниците и влязоха в транс, но събитието ни припомни, че живеем на една планета. Живеем върху едни и същи плочи, които се блъскат от милиони години една в друга, „карат се“ и „се развеждат“, за да се наричат Африка, Европа, Азия…
Когато обсъждаме спасяването на Земята (зелена сделка, фреони, пластмаси, чист въздух), трябваме да си напомняме онова намигване на стендъп комедианта Джордж Карлин: „Земята няма проблем. Тя си е добре. Хората са прецакани!“.
Двата силни труса в Турция отвориха чудовищен разлом, чиято дълбочина е рядко виждана. Зародиха се всякакви теории, които плашат хората до смърт – дали „спирането на въртенето на ядрото на Земята е причината, или ХААРП?“.
Какво се случва със „сърцето“ на Земята? Има ли „добър“ и „лош“ сценарий относно процесите, свързани със земното ядро? Възможно ли е прогнозирането на земетресения? Кои са най-опасните сеизмични зони в България и как трябва да реагираме в случай на подобно бедствие?
Вестник „Аз-буки“ се обърна към учените, за да поднесе на читателите си повече факти и по-малко страсти по темите.

Учените продължават да изграждат теории за вътрешното ядро на Земята и ролята му за редица процеси на планетата

Доц. Петя Трифонова – геофизик, зам.-директор на Националния институт по геофизика, геодезия
и география на БАН

Публикацията на двамата китайски учени е част от дългогодишните усилия да се разгадае вътрешният строеж на Земята и да се изяснят процесите и механизмите, свързани с магнитното поле, преноса на топлина и състава на скалите в дълбочина.
Един от основните методи за изследване на вътрешния строеж на нашата планета е чрез изучаване разпространението на сеизмичните вълни. През 1929 г. датската сеизмоложка Инге Леман анализира записите на силно земетресение в близост до Нова Зеландия. Тя открива вълни, които, разпространявайки се в земното ядро, се отразяват от някаква вътрешна граница. Тя ги нарича P’ (P-prime) и допуска, че не са резултат от общоприетата дотогава дифракция, а ясна индикация за наличие на вътрешно твърдо ядро. През 1936 г. Инге Леман доказва теоретично наличието на двуслойно (външно течно и вътрешно твърдо) ядро на Земята.
По подобен начин през 1996 г. други учени изследват ходографите на вълните на две еднакви по място и сила земетресения и установяват, че времето за пътуване на сеизмичните вълни, генерирани от тях, се е променило. Този факт учените обясняват с предположението, че вътрешното ядро на Земята се върти по-бързо от земната мантия. Дори изчисляват приблизителната скорост на това „избързване“. Тази теория обаче не среща пълна подкрепа, защото съществуват и други обяснения за наблюдаваните разлики във времето за пътуване на сеизмичните вълни, свързани с промяна на температурата и плътността в дълбочина.
През 2023 г. китайските учени Yi Yang и Xiaodong Song изнасят факти за това, че на базата на изследвани земетресения през последните 25 години е установено, че съществуват периоди, в които ядрото на Земята се върти по-бързо от външните слоеве на планетата. След което това „избързване“ намалява и следва период, в който те започват да се въртят в синхрон.
Тъй като това е само хипотеза, учените посочват, че за да се потвърди тя, е необходимо да се изследват записите на нови силни земетресения, чиито вълни достигат и преминават чак през ядрото на Земята. Това обаче по никакъв начин не предполага увеличаване на сеизмичността или вероятността за реализиране на такива земетресения.
„Сърцето“ на Земята е обект на особен интерес и включва редица направления, които се опитват да обяснят явления като разликите в разпространението на сеизмичните вълни, механиз-
ма на генерация на магнитното поле и смяната на магнитните полоси.
Същото авторитетно списание (Nature Geoscience) публикува през 2021 г. друга хипотеза за разликите във времето за преминаване на сеизмични вълни от земетресения през вътрешното ядро. Учените установяват, че вълните се движат по-бързо в посоката на оста на въртене на Земята (север – юг), отколкото по Екватора. Те изказват хипотезата, че тази асиметрия се дължи на различния темп на кристализация на желязото, изграждащо ядрото, и наличието на никел, подобно на състава на металните метеорити.
Съществува и друга теория за строежа на вътрешното ядрото. Тя се обуславя от необходимостта да бъде „намерен“ източник на топлина в най-вътрешната му част, способен да поддържа конвекцията във външното ядро, която пък се свързва с механизма,
генериращ магнитното поле на Земята. Причината и източникът на топлината все още не са еднозначно определени. Някои изследователски групи предполагат, че топлината се доставя чрез радиоактивен разпад или от ядрен геореактор. По-широка подкрепа среща хипотезата, че генерирането на топлина е резултат от специфичен ядрен синтез, като скоростта на реакцията се повишава от високото налягане (~364 GPa) и високата температура (~5700 K).
Липсата на преки наблюдения и много сложните взаимовръзки между отделните явления, наблюдавани на повърхността на Земята, дават възможност за различни теории, хипотези и обяснения. Но всички те се групират около четири основни момента – желязото, топлината, въртенето и магнитното поле.
За ролята, която вътрешното ядро играе в поддържането на магнитното поле на Земята, и за ефекта, който има върху скоростта на въртене на нашата планета
През 2020 г. учените съобщиха, че Земята е започнала да се върти по-бързо с 1 – 2 милисекунди на година. Това увеличение на скоростта може да се дължи на различни фактори, включително сложното движение на течното външно ядро, океаните и атмосферата, ефекта от Луната, както и засиления темп на топене на леда на полюсите. Когато ледените маси се намалят, теглото на леда се разпределя в океаните и Земята става по-сферична. Това, от своя страна, води до приближаване на масата до центъра на тежестта и съответно до по-бързо въртене.
Много механизми са предлагани в течение на времето, за да обяснят как се генерира магнитното поле на Земята. Но единственият, който сега се смята за правдоподобен, е аналогичен на принципа на работа на динамо или генератор – устройство за преобразуване на механична енергия в електрическа.
За да възникне генериране на магнитно поле, трябва да бъдат изпълнени три условия: 1) трябва да има проводяща течност;
2) трябва да има достатъчно енергия, за да накара течността да се движи с достатъчна скорост и с подходящ модел на потока; и 3) трябва да има иницииращо магнитно поле.
Всички тези условия са изпълнени във външното ядро на Земята. Разтопеното желязо е добър проводник. Има достатъчно енергия за задвижване на конвекция, а конвективното движение, съчетано с Кориолисовите сили от въртенето на Земята, създава подходящ модел на потока. Дори преди магнитното поле на Земята да се формира за първи път, магнитните полета са присъствали под формата на магнитното поле на Слънцето. След като процесът започне, съществуващото поле действа като иницииращо.
Когато поток от разтопено желязо преминава през съществуващото магнитно поле, се генерира електрически ток чрез процес, наречен магнитна индукция. Новосъздаденото електрическо поле, на свой ред, ще създаде магнитно поле. Като се има предвид връзката между магнитното поле и флуидния поток, генерираното магнитно поле може да усили първоначалното такова. Докато има достатъчно движение на течности във външното ядро, процесът ще продължи.
Съществува ли „добър“ и „лош“ сценарий по отношение на процесите, свързани със „сърцето“ на Земята
Не би могло да се говори за добър или за лош сценарий по отношение на процесите в ядрото на Земята. Очевидно „въртележката“ е сложна, но съществува източник на топлина, съдържание на желязо също има. Тези предпоставки са достатъчни, за да се генерира основното магнитно поле на Земята. То е изключително важно за живота на нашата планета, защото ни пази от убийствените космически лъчения и радиацията на Слънцето.
Хипотезите относно строежа и процесите в ядрото ще се увеличават и съревновават. Тяхното категорично потвърждение едва ли някога ще е възможно, но безспорно ще доведе до по-добро познаване на нашата планета.
Земята все още е млада планета със значителни източници на топлина, които се проявяват с вулканичната дейност и земетресенията, генерирани от движението на тектоничните плочи. Теорията за тектониката на плочите успешно обяснява различни геоложки феномени, които се случват на континентите и в океаните на Земята. Но точна информация за движещата сила зад тези процеси няма, освен че е свързана с топлина. По отношение на произхода на топлината, настоящият консенсус е, че потокът от вътрешността към повърхността на Земята идва от два основни източника: първична топлина, генерирана по време на първоначалното формиране на Земята, и радиогенна топлина, произлизаща от най-вътрешните части на планетата.
От всичко казано дотук става ясно, че самото познаване на процесите, протичащи в ядрото на Земята, е много сложно. Което пък означава, че тяхното предвиждане е още по-условно и се намира в сферата на теориите. Ключовата дума обаче, по отношение на процесите, които ни засягат на и под повърхността, е топлина.