Лесно е да си създадете погрешна представа за центъра на Земята. Той не е пещера, не е пещ от разтопена скала и не е по-малка версия на мантията, притисната в топка. Вътрешното ядро ​​е метален обект, изведен от сеизмични вълни и минерална физика: твърда, богата на желязо сфера, разположена в течен, богат на желязо океан.

Резултатът е откритие, основано на няколко доказателства, нито едно измерване, направено чрез сондиране. Нито един инструмент не е посетил ядрото и никаква проба не идва от него. Картината идва от земетръсни вълни, модели на плътност, експерименти с високо налягане и изчисления за това как железните сплави се държат под налягане, далеч надхвърлящо всичко на повърхността.

Стандартната отправна точка е Предварителният референтен модел на Земята, публикуван през 1981 г., който дава на геофизиците широко използван радиален модел на вътрешността на Земята. В този модел вътрешното ядро ​​започва на около 5150 километра под повърхността и се простира до центъра на планетата, което ѝ придава радиус от приблизително 1220 километра.

Това го прави по-малък от Луната по радиус. Средният радиус на Луната е около 1737 километра, а масата ѝ е около 7,35 по 10^22 килограма, според информационния лист за Луната на НАСА. Вътрешното ядро ​​е по-малко в диаметър, но е много по-плътно. Използвайки плътности по PREM скалата, масата му обикновено се оценява на приблизително 9 по 10^22 килограма, поради което фразата „вероятно по-масивна от Луната“ е разумна, въпреки че сравнението звучи странно.

Външното ядро ​​е течно. Вътрешното ядро ​​е твърдо. И двете са доминирани от желязо, с никел и по-леки елементи, смесени, но те се намират от различни страни на границата между налягане и температура. На границата между вътрешното ядро ​​налягането е толкова високо, че богатият на желязо метал може да остане твърд дори при температури от няколко хиляди градуса.

Статия в PNAS от 2014 г. описва сеизмологично последователен модел на състава на земното ядро, третирайки ядрото като желязо, легирано с никел и по-леки елементи като кислород, силиций, сяра или въглерод. Детайлите остават дискусионни, отчасти защото малки промени в състава могат да променят плътността, поведението на топене и сеизмичните скорости.

Следователно най-простото твърдение е най-безопасното: вътрешното ядро ​​е богат на желязо метал, а не скала. Точната му рецепта не е установена. То не е чисто лабораторно желязо. Сеизмичните модели показват, че ядрото е по-малко плътно, отколкото би било чистото желязо при същите условия, поради което по-леките елементи са част от повечето композиционни модели.

Неговата твърдост е била изведена от начина, по който сеизмичните вълни преминават през планетата. Някои вълни преминават по различен начин през твърди тела и течности. Други изобщо не преминават през течности. Сравнявайки сигналите от земетресения, записани по целия свят, геофизиците са изградили слоестата картина на твърда мантия, течно външно ядро ​​и твърдо вътрешно ядро.

Вътрешното ядро ​​не е древна реликва, която винаги е била с настоящите си размери. Смята се, че то расте. Тъй като Земята бавно губи топлина в космоса през мантията и повърхността, течното външно ядро ​​се охлажда достатъчно на вътрешната си граница, за да може богатият на желязо метал да кристализира. Този твърд метал се добавя към повърхността на вътрешното ядро.

Това е бавен процес от човешка гледна точка и е от съществено значение от планетарна гледна точка. Проучване от 2012 г. представя Земята като топлинен двигател, чието магнитно поле се захранва отчасти от топлината, отделена при растежа на твърдото вътрешно ядро, и отчасти от химическа конвекция, тъй като леките елементи се изхвърлят от замръзващия метал в околната течност.

Цифрата от милиметър на година е относителна. Растежът на вътрешното ядро ​​зависи от топлината, изтичаща от ядрото, кривата на топене на железни сплави, състава на течността и термичната история на мантията над нея. Различни предположения могат да променят изведената скорост. Все пак мащабът е полезен. Увеличение на радиуса от приблизително един милиметър годишно звучи дребно, но разпръснато по сфера с диаметър над 2400 километра, то представлява огромно количество метал, кристализиращ през геоложкото време. Процесът е достатъчно бавен, за да бъде невидим през човешкия живот, и достатъчно голям, за да помогне за оформянето на магнитния живот на планетата.

Когато богатият на желязо метал замръзне върху вътрешното ядро, той не просто прави твърдата сфера по-голяма. Той променя течността точно над нея. Някои по-леки елементи не се вграждат лесно в твърдото вещество и остават във външното ядро, в течността. Тази течност става химически различна от околната среда, което може да помогне за задвижване на конвекцията.

Конвекцията във външното ядро ​​е важна, защото е свързана с геодинамото, процесът, който поддържа магнитното поле на Земята. Полето не се произвежда само от вътрешното ядро. То се генерира от движещ се, електропроводим течен метал във външното ядро. Но растежът на вътрешното ядро ​​е един от източниците на енергия и плаваемост, които могат да помогнат за поддържането на движението на тази течност.

Ето защо възрастта на вътрешното ядро ​​е толкова труден и важен въпрос. Ако твърдото вътрешно ядро ​​се е образувало сравнително наскоро в геоложки план, тогава по-ранното геодинамо е трябвало да се захранва по различен начин. Ако е по-старо, моделите на охлаждане и проводимост на ядрото трябва да отчитат това. Отговорът засяга историята на магнитното екраниране на Земята, а не само размера на скрита метална сфера.

Странността на вътрешното ядро ​​е отчасти практична. То е по-близо до нас от Луната, но е по-малко достъпно от нея. Мисиите „Аполо“ донесоха лунни проби, докато дори най-дълбоките сондажи едва докоснаха земната кора. Ето защо всичко под мантията се определя косвено. Това не прави вътрешното ядро ​​въображаемо или спекулативно в широкия смисъл на думата. Сеизмологията е мощен инструмент за дистанционно наблюдение. Земетресенията изпращат вълни през планетата от много посоки. Тези вълни се ускоряват, забавят, отразяват, пречупват и изчезват в зависимост от това през какво преминават. В продължение на десетилетия тези глобални измервания превърнаха вътрешното ядро ​​в един от най-ограничените и недостъпни обекти в планетарната наука и точно поради това всеки опит за изследването му е особено вълнуващ.

Снимка: Unsplash

Виж още: Океанският гроб на МКС, предвиден от NASA, може да доведе до тежки последици за морския живот