Τι είναι το μυστηριώδες «ντόνατ» μέσα στον πυρήνα της Γης;

Μια διατομή του πυρήνα της Γης, που δείχνει το «ντόνατ» που περιέχει περισσότερα ελαφριά στοιχεία γύρω από τον ισημερινό. Από Ma and Tkalčić .

Οι σεισμικές ηχώ αποκαλύπτουν ένα μυστηριώδες «ντόνατ» μέσα στον πυρήνα της Γης.

Περίπου 2.890 χιλιόμετρα κάτω από τα πόδια μας βρίσκεται μια γιγάντια μπάλα από υγρό μέταλλο: ο πυρήνας του πλανήτη μας. Επιστήμονες χρησιμοποιούν τα σεισμικά κύματα που δημιουργούνται από τους σεισμούς ως ένα είδος υπερήχου για να «δουν» το σχήμα και τη δομή του πυρήνα.

Χρησιμοποιώντας έναν νέο τρόπο μελέτης αυτών των κυμάτων, οι Hrvoje Tkalčić και Xiaolong Ma έκαναν μια εκπληκτική ανακάλυψη: υπάρχει μια μεγάλη περιοχή του πυρήνα σε σχήμα ντόνατ γύρω από τον Ισημερινό, πάχους μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων, όπου τα σεισμικά κύματα ταξιδεύουν περίπου 2% πιο αργά, παρά στον υπόλοιπο πυρήνα.

Πιστεύουν ότι αυτή η περιοχή περιέχει περισσότερα ελαφρύτερα στοιχεία όπως το πυρίτιο και το οξυγόνο και μπορεί να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στα τεράστια ρεύματα υγρού μετάλλου που διατρέχουν τον πυρήνα που δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο της Γης. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Science Advances .

Το «κυματικό πεδίο συσχέτισης κώδικα»

Οι περισσότερες μελέτες των σεισμικών κυμάτων που δημιουργούνται από τους σεισμούς εξετάζουν τα μεγάλα, αρχικά μέτωπα κύματος που ταξιδεύουν σε όλο τον κόσμο περίπου μία ώρα μετά τον σεισμό.

Οι ερευνητές είδαν ότι μπορούσαν να μάθουν κάτι νέο κοιτάζοντας το μεταγενέστερο, πιο αχνό μέρος αυτών των κυμάτων, γνωστό ως coda - το τμήμα που φέρνει ένα μουσικό κομμάτι στο τέλος του. Συγκεκριμένα, εξέτασαν πόσο παρόμοια ήταν οι κωδικοί που καταγράφηκαν σε διαφορετικούς σεισμικούς ανιχνευτές, αρκετές ώρες μετά την έναρξή τους.

Με μαθηματικούς όρους, αυτή η ομοιότητα μετριέται με κάτι που ονομάζεται συσχέτιση. Μαζί, ονομάζουν αυτές τις ομοιότητες στα όψιμα τμήματα των σεισμών κυματοπεδίου ως «coda-correlation wavefield».

Εξετάζοντας το κυματοπεδίο συσχέτισης κωδικών, εντόπισαν μικροσκοπικά σήματα που προέρχονται από πολλαπλά αντηχούμενα κύματα που διαφορετικά δεν θα έβλεπαν. Κατανοώντας τα μονοπάτια που είχαν ακολουθήσει αυτά τα αντηχούντα κύματα και ταιριάζοντάς τα με σήματα στο κυματοπεδίο συσχέτισης κωδικών, υπολόγισαν πόσο καιρό είχαν πάρει για να ταξιδέψουν στον πλανήτη.

Στη συνέχεια, σύγκριναν αυτό που είδαν στους σεισμικούς ανιχνευτές πιο κοντά στους πόλους με αποτελέσματα από πιο κοντά στον Ισημερινό. Συνολικά, τα κύματα που εντοπίστηκαν πιο κοντά στους πόλους ταξίδευαν πιο γρήγορα από εκείνα κοντά στον Ισημερινό.

Δοκίμασαν πολλά μοντέλα υπολογιστών και προσομοιώσεις για το ποιες συνθήκες στον πυρήνα θα μπορούσαν να δημιουργήσουν αυτά τα αποτελέσματα. Στο τέλος, βρήκαν ότι πρέπει να υπάρχει ένας δακτύλιος - μια περιοχή σε σχήμα ντόνατ - στον εξωτερικό πυρήνα γύρω από τον Ισημερινό, όπου τα κύματα ταξιδεύουν πιο αργά.

Οι σεισμολόγοι δεν έχουν εντοπίσει αυτήν την περιοχή στο παρελθόν. Ωστόσο, η χρήση του πεδίου κύματος συσχέτισης κωδικών μας επιτρέπει να «δούμε» τον εξωτερικό πυρήνα με περισσότερες λεπτομέρειες και πιο ομοιόμορφα.

Προηγούμενες μελέτες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα κύματα κινούνταν πιο αργά παντού γύρω από την «οροφή» του εξωτερικού πυρήνα. Ωστόσο, έδειξαν σε αυτή τη μελέτη ότι η περιοχή χαμηλής ταχύτητας βρίσκεται μόνο κοντά στον Ισημερινό.

Ο εξωτερικός πυρήνας και το γεωδύναμο

Ο εξωτερικός πυρήνας της Γης έχει ακτίνα περίπου 3.480 χλμ., γεγονός που τον καθιστά ελαφρώς μεγαλύτερο από τον πλανήτη Άρη. Αποτελείται κυρίως από σίδηρο και νικέλιο, με μερικά ίχνη ελαφρύτερων στοιχείων όπως πυρίτιο, οξυγόνο, θείο, υδρογόνο και άνθρακα.

Το κάτω μέρος του εξωτερικού πυρήνα είναι πιο ζεστό από το πάνω μέρος και η διαφορά θερμοκρασίας κάνει το υγρό μέταλλο να κινείται σαν νερό σε μια κατσαρόλα που βράζει στη σόμπα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται θερμική μεταφορά και πιστεύουν ότι η συνεχής κίνηση θα πρέπει να σημαίνει ότι όλο το υλικό στον εξωτερικό πυρήνα είναι αρκετά καλά αναμεμειγμένο και ομοιόμορφο.

Αλλά αν παντού στον εξωτερικό πυρήνα είναι γεμάτο με το ίδιο υλικό, τα σεισμικά κύματα θα πρέπει να ταξιδεύουν με την ίδια περίπου ταχύτητα παντού. Γιατί λοιπόν αυτά τα κύματα επιβραδύνονται στην περιοχή σε σχήμα ντόνατ που βρήκαν;

Πιστεύουν ότι πρέπει να υπάρχει μεγαλύτερη συγκέντρωση ελαφρών στοιχείων σε αυτήν την περιοχή. Αυτά μπορεί να απελευθερωθούν από τον συμπαγή εσωτερικό πυρήνα της Γης στον εξωτερικό πυρήνα, όπου η άνωσή τους δημιουργεί περισσότερη συναγωγή.

Γιατί τα ελαφρύτερα στοιχεία συσσωρεύονται περισσότερο στην περιοχή του ισημερινού ντόνατ; Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό θα μπορούσε να εξηγηθεί εάν μεταφερθεί περισσότερη θερμότητα από τον εξωτερικό πυρήνα στον βραχώδη μανδύα πάνω από αυτόν σε αυτήν την περιοχή.

Υπάρχει επίσης μια άλλη διαδικασία πλανητικής κλίμακας που λειτουργεί στον εξωτερικό πυρήνα. Η περιστροφή της Γης και ο μικρός συμπαγής εσωτερικός πυρήνας κάνουν το υγρό του εξωτερικού πυρήνα να οργανώνεται σε μακριές κατακόρυφες δίνες που τρέχουν σε κατεύθυνση Βορρά-Νότου, σαν γιγάντιες εκροές νερού.

Η ταραχώδης κίνηση του υγρού μετάλλου σε αυτές τις δίνες δημιουργεί το «γεωδύναμο» που είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία και τη διατήρηση του μαγνητικού πεδίου της Γης. Αυτό το μαγνητικό πεδίο προστατεύει τον πλανήτη από τον επιβλαβή ηλιακό άνεμο και την ακτινοβολία, καθιστώντας δυνατή τη ζωή στην επιφάνεια.

Μια πιο λεπτομερής άποψη της σύνθεσης του εξωτερικού πυρήνα-συμπεριλαμβανομένου του νεοανακαλυφθέντος ντόνατ από ελαφρύτερα στοιχεία- θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ειδικότερα, το πώς το πεδίο αλλάζει την ένταση και την κατεύθυνσή του στο χρόνο είναι κρίσιμο για τη ζωή στη Γη και την πιθανή κατοικησιμότητα πλανητών και εξωπλανητών.

Γεωδίφης με πληροφορίες από το περιοδικό Science Advances 

περισσότερα,

The Conversation 

Seismic low-velocity equatorial torus in the Earth’s outer core: Evidence from the late–coda correlation wavefield

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn5562

https://phys.org/news/2024-09-seismic-echoes-reveal-mysterious-donut.html