Во внутреннем ядре Земли нащупали признаки структуры

Геофизики обнаружили, что во внутреннем ядре Земли есть какие-то структуры. Исследовав сейсмические волны, многократно проходящие через центр планеты, ученые пришли к выводу, что область наибольшей скоростной анизотропии локализуется в центральной части твердого внутреннего ядра. Радиус этой области исследователи оценивают приблизительно в 650 километров. Во внешнем слое внутреннего ядра волны заметно меньше меняют скорость в зависимости от направления, сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Главный источник данных о строении недр Земли — объемные сейсмические волны двух типов: продольные, или волны сжатия (обозначаются символом P), и поперечные, или сдвиговые S-волны. Во время землетрясения они рождаются вместе, но затем более медленные S-волны отстают, а кроме того, они способны распространяться только в твердом теле. Скорость и P-, и S-волн зависит от плотности и упругости среды, поэтому время их прохождения несет информацию о свойствах вещества в недрах (подробно о том, как с помощью сейсмических волн просвечивают Землю, можно прочитать в нашем материале «Докрутились»).

Именно по сейсмическим данным в начале XX века ученые обнаружили ядро, а в 1930-х годах показали, что внутри самого ядра существует поверхность раздела. В дальнейшем стало ясно, что эта поверхность ограничивает внутреннюю часть ядра радиусом 1220–1230 километров.

Дальнейшие исследования показали, что и внутреннее ядро может оказаться неоднородным. Ученые выяснили, что оно обладает сейсмической анизотропией. Во-первых, P-волны в нем распространяются в полярном направлении быстрее, чем в экваториальном. Во-вторых, и в самой экваториальной плоскости в разных направлениях они бегут с неодинаковой скоростью, и геофизики предположили, что анизотропия может быть связана с наличием во внутреннем ядре каких-то структурных элементов.

Изучение внутреннего ядра сопряжено с большими трудностями, и не только из-за того, что эта область скрыта глубоко ― более чем в 5000 километров ― под вышележащими слоями. Для регистрации сигналов, проходящих через центр Земли, ученым нужна сеть приемников, расположенных почти диаметрально. На практике добиться этого трудно, так как крупные землетрясения, сигналы от которых используют в исследованиях, локализуются в зонах субдукции близко к экваториальному поясу, а сейсмические сети в океанах и в отдаленных регионах на суше недостаточно широки.

При изучении структуры недр ученые сравнивают прямые и отраженные сигналы от одного и того же сейсмического события, анализируют сходство между ними и разницу времен прихода на приемники, расположенные противоположно друг другу (метод сейсмической интерферометрии). Затем данные, полученные на разных парах приемников, объединяют в корреляционные поля, на основе которых можно моделировать строение внутренних частей планеты.

Геофизики из Австралийского национального университета Тхань Сон Фам (Thanh-Son Phạm) и Хрвое Ткалчич (Hrvoje Tkalčić) использовали данные о сигналах от  землетрясений магнитудой свыше 6,0, собранные пятью международными центрами сейсмического мониторинга за последние 10 лет. Применив усовершенствованные методики фильтрации сигнала и внесения поправок на инструментальный отклик, ученые впервые смогли зафиксировать пятикратный пробег PKIKP-волн и реверберацию, картина которой изменяется при каждом новом отражении. До сих пор сейсмологам удавалось наблюдать лишь двукратные отражения PKIKP-волн, и это ограничивало поступление данных.

Индексом PKIKP сейсмологи обозначают продольные волны, проходящие через центр Земли. Буквы в этом индексе кодируют путь волны: P ― это волна, бегущая в мантии, K ― во внешнем ядре, и I ― во внутреннем ядре (пробег в пределах коры для таких волн не указывается). Из-за многократных отражений PKIKP-волн от поверхности возникает эффект реверберации ― «внутреннего эха» в Земле, картина которого меняется при каждом новом пробеге отраженной волны. При этом сейсмический луч, отражаясь от разных точек поверхности, немного изменяет свою траекторию через ядро, каждый раз преломляется по-другому, а это влияет на его скорость и отражается в записях сейсмографов в разных точках.

Наблюдения кратных PKIKP-волн позволило ученым локализовать область анизотропии в центральной части внутреннего ядра. Здесь волны приобретают наибольшие различия во временах пробега при различных углах по отношению к оси вращения Земли. Медленнее всего они идут под углом около 48 градусов; при распространении в экваториальном направлении становятся быстрее на 3,4 процента, а в полярном ― на 4,0 процента. Радиус области, где возникают эти невязки скоростей относительно изотропной модели ядра, исследователи оценили в 650 километров.

Во внешней оболочке внутреннего ядра сейсмическая анизотропия сохраняется, однако она гораздо слабее. Здесь продольные волны ускоряются в полярном направлении на 2,8 процента, а в экваториальном ― всего на 1,7 процента.

Авторы исследования связывают анизотропию с ориентацией кристаллов железа и отмечают, что различия в скоростных свойствах между внешней и центральной частями внутреннего ядра вызваны, очевидно, эволюционными изменениями. Однако какими именно ― пока неясно: возможно, уменьшение теплового потока с течением времени, плотностная дифференциация или другие факторы. Кроме того, Фам и Ткалчич указывают, что структурирование внутреннего ядра могло быть связано со сдвигами в функционировании геодинамо, поэтому изучение этого процесса важно для понимания эволюции магнитного поля Земли.

Ранее N + 1  уже рассказывал об исследованиях земного ядра. Так, мы писали о том, что геохимики возложили ответственность за сильное замедление сейсмических волн в центре Земли на суперионные сплавы железа, а также о том, что внутреннее ядро, возможно, появилось более 1,1 миллиарда лет назад.