Ο εσωτερικός πυρήνας της Γης: Κανείς δεν ξέρει ακριβώς από τι είναι φτιαγμένος

Ο πλούσιος σε σίδηρο πυρήνας στο κέντρο του πλανήτη μας έχει διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην εξέλιξη της Γης. Ο πυρήνας όχι μόνο τροφοδοτεί το μαγνητικό πεδίο που προστατεύει την ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς μας από την ηλιακή ακτινοβολία, αλλά επηρεάζει επίσης την τεκτονική των πλακών, η οποία συνεχώς αναδιαμορφώνει τις ηπείρους. Και τώρα έχουμε αρχίσει να αποκαλύπτουμε την αλήθεια!

Γράφει ο Alfred Wilson-Spencer,
Ερευνητής Ορυκτής Φυσικής, Πανεπιστήμιο του Leeds

Παρά τη σημασία του, όμως, πολλές από τις πιο θεμελιώδεις ιδιότητες του πυρήνα είναι άγνωστες. Δεν γνωρίζουμε ακριβώς πόσο ζεστός είναι ο πυρήνας, από τι είναι φτιαγμένος ή πότε άρχισε να παγώνει. Ευτυχώς, μια πρόσφατη ανακάλυψη από εμένα και τους συναδέλφους μου μας φέρνει πολύ πιο κοντά στην απάντηση και των τριών αυτών μυστηρίων.

Γνωρίζουμε ότι η θερμοκρασία του εσωτερικού πυρήνα της Γης είναι περίπου 5.000 Kelvin (K) (4.727°C). Κάποτε ήταν υγρός, αλλά με την πάροδο του χρόνου έχει ψυχθεί και έχει γίνει στερεός, διαστελλόμενος κατά τη διαδικασία. Καθώς ψύχεται, απελευθερώνει θερμότητα στον υπερκείμενο μανδύα, οδηγώντας τα ρεύματα πίσω από την τεκτονική των πλακών.

Η ίδια ψύξη παράγει επίσης το μαγνητικό πεδίο της Γης. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του πεδίου σήμερα προέρχεται από την ψύξη του υγρού μέρους του πυρήνα και την ανάπτυξη του στερεού εσωτερικού πυρήνα στο κέντρο του.

Ωστόσο, επειδή δεν μπορούμε να έχουμε πρόσβαση στον πυρήνα, πρέπει να εκτιμήσουμε τις ιδιότητές του για να κατανοήσουμε πώς ψύχεται.

Ένα βασικό μέρος της κατανόησης του πυρήνα είναι η γνώση τής θερμοκρασίας τήξης του. Γνωρίζουμε πού βρίσκεται το όριο μεταξύ του στερεού εσωτερικού πυρήνα και του υγρού εξωτερικού πυρήνα από τη σεισμολογία (τη μελέτη των σεισμών).

Η θερμοκρασία του πυρήνα πρέπει να είναι ίση με τη θερμοκρασία τήξης του σε αυτήν την τοποθεσία, επειδή εκεί είναι που παγώνει. Έτσι, αν γνωρίζουμε ακριβώς ποια είναι η θερμοκρασία τήξης, μπορούμε να μάθουμε περισσότερα για την ακριβή θερμοκρασία του πυρήνα – και από τι είναι φτιαγμένος.

Μυστηριώδης χημεία

Παραδοσιακά, έχουμε δύο τρόπους για να καταλάβουμε από τι είναι φτιαγμένος ο πυρήνας: μετεωρίτες και σεισμολογία. Εξετάζοντας τη χημεία των μετεωριτών – οι οποίοι πιστεύεται ότι είναι κομμάτια πλανητών που δεν σχηματίστηκαν ποτέ ή κομμάτια των πυρήνων κατεστραμμένων πλανητών σαν τη Γη – μπορούμε να πάρουμε μια ιδέα για το από τι θα μπορούσε να είναι φτιαγμένος ο πυρήνας μας.

Το πρόβλημα είναι ότι αυτό μας δίνει μόνο μια γενική ιδέα.

• Οι μετεωρίτες μας δείχνουν ότι ο πυρήνας θα πρέπει να είναι φτιαγμένος από σίδηρο και νικέλιο, και ίσως ένα μικρό ποσοστό πυριτίου ή θείου, αλλά είναι δύσκολο να είμαστε πιο συγκεκριμένοι από αυτό.
• Η σεισμολογία, από την άλλη πλευρά, είναι πολύ πιο συγκεκριμένη. Όταν τα ηχητικά κύματα από τους σεισμούς ταξιδεύουν μέσα από τον πλανήτη, επιταχύνονται και επιβραδύνονται ανάλογα με τα υλικά που περνούν.

Συγκρίνοντας τον χρόνο ταξιδιού αυτών των κυμάτων, από την παρακολούθηση του σεισμού στον σεισμογράφο, με το πόσο γρήγορα τα κύματα ταξιδεύουν μέσα από τα ορυκτά και τα μέταλλα σε πειράματα, μπορούμε να πάρουμε μια ιδέα για το από τι είναι φτιαγμένο το εσωτερικό της Γης.

Αποδεικνύεται ότι αυτοί οι χρόνοι ταξιδιού απαιτούν ο πυρήνας της Γης να είναι περίπου 10% λιγότερο πυκνός από τον καθαρό σίδηρο και ο υγρός εξωτερικός πυρήνας να είναι πυκνότερος από τον στερεό εσωτερικό πυρήνα. Μόνο κάποια γνωστή χημεία του πυρήνα μπορεί να εξηγήσει αυτές τις ιδιότητες.

Αλλά ακόμη και μεταξύ μιας μικρής επιλογής πιθανών συστατικών, οι πιθανές θερμοκρασίες τήξης ποικίλλουν κατά εκατοντάδες βαθμούς – αφήνοντάς μας να μην γνωρίζουμε τις ακριβείς ιδιότητες του πυρήνα.

Ένας νέος περιορισμός

Στη νέα μας έρευνα, χρησιμοποιήσαμε τη φυσική των ορυκτών για να μελετήσουμε πώς ο πυρήνας μπορεί να άρχισε να παγώνει, ανακαλύπτοντας έναν νέο τρόπο κατανόησης της χημείας του πυρήνα. Και αυτή η προσέγγιση φαίνεται να είναι ακόμη πιο συγκεκριμένη από τη σεισμολογία και τους μετεωρίτες.

Έρευνα που προσομοιώνει τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα σε υγρά μέταλλα ενώνονται για να σχηματίσουν στερεά έχει διαπιστώσει ότι ορισμένα κράματα απαιτούν πιο έντονη «υπερψύξη» σε σχέση με άλλα.

Η υπερψύξη είναι όταν ένα υγρό ψύχεται κάτω από τη θερμοκρασία τήξης του. Όσο πιο έντονη είναι η υπερψύξη, τόσο πιο συχνά τα άτομα θα ενωθούν για να σχηματίσουν στερεά, κάνοντας ένα υγρό να παγώσει πιο γρήγορα.

Ένα μπουκάλι νερό στην κατάψυξή σας μπορεί να υπερψυχθεί στους μείον 5°C για ώρες πριν από την κατάψυξη, ενώ το χαλάζι σχηματίζεται σε λίγα λεπτά όταν τα σταγονίδια νερού ψύχονται στους μείον 30°C στα σύννεφα.

Εξερευνώντας όλες τις πιθανές θερμοκρασίες τήξης του πυρήνα, διαπιστώνουμε ότι η μέγιστη υπερψυξη που θα μπορούσε να έχει υποστεί ο πυρήνας είναι περίπου 420°C κάτω από τη θερμοκρασία τήξης – περισσότερο από αυτό και ο εσωτερικός πυρήνας θα ήταν μεγαλύτερος από ό,τι τον βρίσκει η σεισμολογία.

Αλλά ο καθαρός σίδηρος απαιτεί μια αδύνατη υπερψύξη μείον 1000°C για να παγώσει. Αν ψυχθεί τόσο πολύ, ολόκληρος ο πυρήνας θα έχει παγώσει, σε αντίθεση με τις παρατηρήσεις των σεισμολόγων.

Η προσθήκη πυριτίου και θείου, τα οποία τόσο οι μετεωρίτες όσο και η σεισμολογία υποδηλώνουν ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν στον πυρήνα, μόνο επιδεινώνει αυτό το πρόβλημα – απαιτώντας ακόμη περισσότερη υπερψύξη.

Η νέα μας έρευνα διερευνά την επίδραση του άνθρακα στον πυρήνα

Εάν το 2,4% της μάζας του πυρήνα ήταν άνθρακας, θα χρειάζονταν περίπου 420°C υπερψύξης για να ξεκινήσει η ψύξη του εσωτερικού πυρήνα. Αυτή είναι η πρώτη φορά που αποδεικνύεται ότι είναι δυνατή η κατάψυξη του πυρήνα.

Εάν η περιεκτικότητα σε άνθρακα του πυρήνα ήταν 3,8%, χρειάζονται μόνο 266°C υπερψύξης. Αυτό εξακολουθεί να είναι… πολύ, αλλά πολύ πιο εύλογο.

Αυτό το νέο εύρημα δείχνει ότι ενώ η σεισμολογία μπορεί να περιορίσει την πιθανή χημεία του πυρήνα σε διάφορους συνδυασμούς στοιχείων, πολλοί από αυτούς δεν μπορούν να εξηγήσουν την παρουσία του στερεού εσωτερικού πυρήνα στο κέντρο του πλανήτη.

Ο πυρήνας δεν μπορεί να αποτελείται μόνο από σίδηρο και άνθρακα, επειδή οι σεισμικές ιδιότητες του πυρήνα απαιτούν τουλάχιστον ένα ακόμη στοιχείο. Η έρευνά μας υποδηλώνει ότι είναι πιο πιθανό να περιέχει λίγο οξυγόνο και πιθανώς και πυρίτιο.

Αυτό σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση του από τι είναι κατασκευασμένος ο πυρήνας, πώς άρχισε να παγώνει και πώς έχει διαμορφώσει τον πλανήτη μας από μέσα προς τα έξω.

ΠΗΓΗ: www.theconversation.com