Аномалії на межі ядра і мантії допомогли пояснити, чому Земля стала населеною

На глибині майже 2 900 км під нашими ногами - на межі мантії та ядра - ховаються два гігантських аномальних утворення, які десятиліттями ставили геофізиків у глухий кут. Нове дослідження, опубліковане в Nature Geoscience, пропонує пояснення того, як вони виникли і чому важливі для розуміння, як Земля стала придатною для життя.

Що знайшли всередині Землі? Йдеться про два типи структур:

• області з низькою швидкістю поперечних хвиль (LLSVP) - це континентальні за масштабом "брили" гарячіших і щільніших порід, одна під Африкою, інша під Тихим океаном;

• зонах ультранизьких швидкостей (ULVZ) - тонких розплавлених "коржиках" на кордоні ядра і мантії, схожих на калюжі лави.

Обидві структури різко уповільнюють проходження сейсмічних хвиль, що вказує на незвичний склад порівняно з рештою мантії.

За словами Йошинорі Міядзакі, геодинаміка з Rutgers University і провідного автора роботи, це не "випадкові дивацтва", а своєрідні "відбитки" найбільш ранньої історії Землі. Зрозумівши, чому вони існують, ми краще зрозуміємо, як сформувалася наша планета і чому стала населеною.

Мільярди років тому Земля, за сучасними уявленнями, була покрита глобальним океаном магми. Під час охолодження, здавалося б, мантія повинна була розшаруватися за складом - як охолоджений сік, де солодкий концентрат опускається вниз, а зверху залишається більш "водянистий" шар.

Але сейсмічні дані такої чіткої пошарової будови не показують. Замість цього біля самої основи мантії видно великі "купи" аномальної речовини - ті самі LLSVP і плями розплаву ULVZ.

"Якщо почати розрахунки від океану магми, ми не приходимо до того, що реально спостерігаємо в мантії Землі. Чогось у цій картині не вистачало", - пояснює Міядзакі.

У новій роботі вчені пропонують "відсутнім елементом" вважати саме ядро. Модель показує, що впродовж мільярдів років елементи на кшталт кремнію і магнію могли "просочуватися" з ядра в нижню мантію, перемішуючись із нею і не даючи сформуватися жорсткій хімічній стратифікації.

Таке "підмішування" речовини ядра, за розрахунками, пояснює незвичайний склад і поведінку LLSVP і ULVZ. Дослідники розглядають їх як затверділі залишки стародавнього "базального океану магми", забрудненого компонентами, що виділилися з ядра.

Йдеться не тільки про хімію надр, підкреслює Міядзакі. Взаємодія ядра і мантії впливає на те, як планета остигає, як розвивається вулканізм і як у підсумку формується атмосфера. Це може частково пояснювати, чому Земля має океани, помірний клімат і життя, тоді як Венера перетворилася на перегрітий парниковий світ, а Марс - на холодну пустелю з тонкою атмосферою.

Те, як усередині планети перетікає тепло і змінюються шари, може бути ключем до відповіді на питання, чому атмосфера Землі є відносно стабільною, а у сусідніх планет - ні.

Автори роботи також вважають, що глибокі структури на кордоні ядра і мантії можуть підживлювати гарячі точки вулканізму, такі як Гаваї та Ісландія, створюючи прямий зв'язок між найглибиннішими шарами Землі та її поверхнею.

Дослідження об'єднало дані сейсмології, фізики мінералів і чисельного моделювання еволюції надр. У підсумку LLSVP і ULVZ постають уже не "аномаліями", а ключовими свідками ранньої історії планети.

Як зазначає співавтор роботи Цзе Ден із Прінстонського університету, ідея про те, що нижня мантія досі зберігає хімічну "пам'ять" перших взаємодій ядра і мантії, відкриває новий шлях до розуміння унікальної еволюції Землі.

Кожен новий фрагмент даних, підкреслює Міядзакі, допомагає зібрати більш цілісну картину того, як змінювалася Земля і чому саме вона стала особливою серед планет.