Jádro uvnitř vnitřního jádra Země

Studie zveřejněná na začátku roku 2015 odhalila, že Země má druhé vnitřní jádro. Tým vedený seismology Tao Wang z Nanjing University a Xiaodong Song z University of Illinois ukázal, že vnitřní jádro Země je rozděleno do dvou vrstev rozlišených pouze rozdíly polarity železných krystalů, které se v nich nacházejí. Polarita krystalů železa nejvnitřnější vrstvy, „vnitřního jádra“ nebo IIC, je orientována ve směru východ-západ, zatímco polarita vnější vrstvy, „vnějšího jádra“ nebo OIC, je orientována na sever -jižní.

  • Jádro Země
  • anizotropie v jádru Země

Země se pod vlivem gravitace brzy rozdělila na železné jádro a skalní plášť. Vnější jádro je kapalné kvůli své vysoké teplotě, ale ve středu Země se vytvořilo vnitřní jádro a postupně rostlo, když se planeta ochladila a tekuté železo ztuhlo pod obrovským tlakem asi třikrát milionkrát větším než atmosférický tlak. Konvekce generovaná tekutým vnějším jádrem generovala elektrické proudy, které udržovaly zemské magnetické pole po dobu asi tří miliard let. Velikost vnitřního jádra (1 220 km [760 mi] v poloměru) je o něco menší než velikost Měsíce. Kvůli nepřístupnosti vnitřního prostoru Země byly seismické vlny ze zemětřesení primárním zdrojem jeho studia, stejně jako rentgenové paprsky se používají při lékařském zobrazování.

Jadro Země bylo objeveno v roce 1906 britským geologem Richardem Oldhamem a jeho pevné vnitřní jádro objevilo v roce 1936 dánský seismolog Inge Lehmann brzy po vynálezu dostatečně citlivých seismometrů. Seismická pozorování použili seismologové Columbia University Xiaodong Song a Paul Richards v roce 1996, že vnitřní jádro se otáčí vzhledem k plášti, což je pravděpodobně poháněno interakcí mezi geomagnetickým polem a vodivým vnitřním jádrem.

Anizotropie vnitřního jádra.

Anisotropie je kvalita projevu vlastnosti, která má různé hodnoty při měření podél různých os. Seismické vlny v anizotropním médiu se pohybují různými rychlostmi v závislosti na polarizaci (vibraci) a směru jejich šíření. Vnitřní jádro Země bylo dlouho považováno za beztvaré; na konci 80. a začátkem 90. let však bylo zjištěno, že má silnou seismickou anizotropii. Seismické kompresní vlny putují vnitřním jádrem v průměru asi o 2% rychleji ve směru sever-jih (rovnoběžně s osou rotace Země) než ve směru východ-západ (rovnoběžně s rovníkem). Seismická anizotropie vychází ze způsobu, jakým mají anisotropní krystaly železa tvořící vnitřní jádro tendenci se vyrovnat podél určitého směru.

Následující studie využívající seismické vlny ukázaly složitou trojrozměrnou strukturu anizotropie vnitřního jádra. Vnější část vnitřního jádra je téměř izotropní (tj. Vykazuje vlastnost, která má podobnou hodnotu při měření podél různých os). Tloušťka této slabé anizotropní vrstvy se liší od horních 100–250 km (62–155 mil) v kvazápadním vnitřním jádru (které se rozprostírá zhruba od zeměpisné délky 40 ° E na západ k délce 160 ° E) do horních 400 km ( přibližně 250 mi) nebo více v kvazi-východním vnitřním jádru (zhruba od 40 ° východní délky na 160 ° východní délky). Přechod z izotropie v horním vnitřním jádru na silnou anizotropii v dolním vnitřním jádru může být na některých místech ostrý a struktura se také mění laterálně s délkami, na všech stupnicích, od polokoule po několik kilometrů.V mezilehlých hloubkách je kvazápadní polokoule silně anizotropní, ale kvazi-východní polokoule je téměř izotropní.

V roce 2002 vědci Harvardské univerzity Miaki Ishii a Adam Dziewonski navrhli IIC směrem ke středu Země; oni ukázali, že IIC má zřetelnou formu anisotropie, s pomalým směrem u 45 ° od osy rotace spíše než blízko rovníkové roviny, jak to nastane v OIC. Pozdější studie ukázaly značnou nejistotu ohledně existence a charakteristik IIC. V jedné takové studii vědci University of Illinois Xinlei Sun a Xiaodong Song v roce 2008 potvrdili změnu formy anisotropie a zjistili, že poloměr vnitřní koule, kterou nazývali IIC, je téměř polovinou poloměru vnitřního jádra jako Celý.

Vnitřní-vnitřní jádro s jiným nastavením krystalu.

Všechny předchozí studie předpokládaly válcovou anizotropii vnitřního jádra, ve kterém byla rychlá osa (tj. Osa, ve které jsou vlnové rychlosti největší) rovnoběžná s osou rotace Země. Počátkem roku 2015 Wang, Song a další uvedli, že IIC má jinou rychlou osu, která je blízko rovníkové roviny přes Střední Ameriku a jihovýchodní Asii, na rozdíl od rychlého severojižního směru v OIC. Výsledek ukázal, že krystaly železa v IIC jsou vyrovnány téměř v pravém úhlu k těm v OIC.

Toto zjištění bylo založeno na nové seismické zobrazovací technice zvané seismická interferometrie nebo křížová korelace s vlnovou vlnou. Namísto spoléhání se na seismické vlny generované zemětřesením, technika používá „ozvěny“ z velkých zemětřesení (vyskytujících se přibližně 3–12 hodin po události), které se projevují jako podzemní ozvěny a rozptyly produkující coda vlny. V tradičních analýzách se malé zemní poruchy, jako je „coda“ energie (tj. Energie přicházející z zpětného rozptylu pohybu povrchových a tělesných vln), vyskytující se po zemětřesení a okolním hluku (náhodné výkyvy, zde převážně z mořských vln, které doprovázejí) a mají tendenci zakrývat smysluplné signály) jsou obvykle vyřazeny. Posílením koherentních signálů v těchto zdrojích všakv poslední dekádě tato technika revolucionizovala seismické zobrazování litosféry Země s bezprecedentním rozlišením. Poprvé se stal dostupným v roce 2005 a od té doby se běžně používá se stovkami výzkumných prací publikovaných každoročně touto metodou.

Studie publikovaná v roce 2015 používala techniku ​​zpracování signálu zvanou autokorelace, která umožňuje detekci opakovaných signálů. Tato technika je analogická procesu odhalování rytmů v hudbě k určení tempa skladby. Stohování autokorelací odečtů coda-energie po velkých zemětřeseních ve shluku blízkých stanic (soustava stanic) značně zlepšilo podpisy vln procházejících vnitřním jádrem Země - což nebylo nikdy pozorováno z přímých seismických vln způsobených největšími zemětřesení, natož menší. Tento nový typ dat umožnil vzorkování samého středu Země. Píseň a kolegové použili seismická pole stanic v různých zeměpisných šířkách a délkách, aby prozkoumali, jak se vlny mění jako funkce směru vnitřním jádrem.Měření ukázala, že seismické vlny procházející vnitřním jádrem podél rychlé osy IIC jsou tak rychlé jako vlny, které se pohybují podél osy rotace. Vnitřní jádro může být rozděleno na OIC s proměnlivou anizotropií, přičemž rychlá osa probíhá paralelně s osou rotace a IIC překlenuje polovinu poloměru vnitřního jádra, přičemž rychlá osa probíhá v blízkosti rovníkové roviny.

Co bude dál?

O hlubokém nitru Země se toho ještě musí hodně naučit a stále dochází k překvapením. Vědci Země doufají, že budou moci odhalit své nejhlubší tajemství. Vnitřní jádro je malé a vzdálené; samé centrum Země je ještě těžší vzorkovat, ale vědci na Zemi očekávají, že nové technologie poskytnou prostředky k extrahování zcela nové sady vzorků, což není dříve možné.

Vnitřní jádro trvalo déle než miliarda let, než dospělo do své současné velikosti, a tak si v srdci Země zachovalo dlouhou geologickou historii. Získáním jasnějších obrazů struktury vědci Země doufají, že odhalí, jak se vyvíjelo vnitřní jádro (a samotná planeta), jak interaguje s magnetickým polem generovaným ve vnějším jádru tekutiny a snad jak ovlivňuje konvekci v pevném plášti. .

Zbývá několik základních otázek. Jaká je hlavní fáze železa ve vnitřním jádru; je to pevné nebo kapalné? Co způsobilo, že se krystaly ve vnitřním jádru zarovnaly v určitých směrech a v různých koncentracích? Mohla by konvekce pláště ovlivnit proudění tekutého jádra a růst a deformaci vnitřního jádra? Co způsobilo rozdíl v zarovnání krystalů mezi IIC a OIC? Předpokládá se, že magnetické pole Země obsahuje významnou rovníkovou složku, která začíná v období Ediacaran (asi před 600 miliony let), což je zhruba věk původu IIC. Mohla by tato dvě pozorování souviset? Jakékoli odpovědi na takové otázky bude muset být určeno budoucím multidisciplinárním a interdisciplinárním vyšetřováním, které zahrnuje příspěvky ze seismologie, geodynamiky a fyziky minerálů.