4,5 миллиарда лет назад Земля была покрыта океаном магмы. В конечном итоге поверхность затвердела, а тепловая энергия из недр продолжала приводить в движение важные динамические процессы, такие как мантийная конвекция, тектоника плит и вулканизм. Как долго происходило охлаждение поверхности Земли? Положит ли это постоянное охлаждение в конечном итоге конец этим процессам? Группа исследователей изучала это явление и утверждает, что тектоническая активность, вызванная мантийной конвекцией, может ослабевать быстрее, чем ожидалось.
С момента своего образования Земля выделила большое количество тепла, выходящего из недр на поверхность. Это тепло вызывает конвекционные движения в мантии, что, в свою очередь, вызывает наблюдаемую тектоническую и вулканическую активность на поверхности. Но как долго Земля будет оставаться динамично активной? Чтобы выяснить это, исследователи решили определить теплопроводность материалов глубоко внутри Земли.
Процесс начинается на границе ядро-мантия, где расплавленное железо-никелевое ядро находится в непосредственном контакте с твердой силикатной мантией. Эта граница известна как самая большая тепловая граница Земли со значительно крутым тепловым градиентом, сообщают исследователи. Таким образом, большое количество тепла передается от ядра к мантии, в основном путем теплопроводности и излучения. Самая глубокая часть мантии состоит в основном из бриджманита; поэтому теплопроводность этого материала можно использовать для оценки скорости охлаждения мантии Земли.
Теплопроводность намного выше, чем ожидалось
Однако определить это количество особенно сложно. Бриджманит (формула Mg,Fe)SiO3) образуется при экстремальных давлениях в несколько десятков гигапаскалей; в нижней мантии он также подвергается воздействию экстремальных температур (по оценкам, температура составляет около 4100 К как раз на границе ядра и мантии). Условия, которые трудно воспроизвести в лаборатории в экспериментальных целях...
Но исследователям из Научного института Карнеги в Вашингтоне под руководством Мотохико Мураками удалось разработать сложную измерительную систему, которая позволяет измерять теплопроводность бриджманита в условиях давления и температуры, идентичных условиям внутри Земли. Им удалось провести серию измерений радиационной теплопроводности бриджманита при давлении 80 ГПа и температуре до 2440 К.
Используемый образец бриджманита был синтезирован из оксидов (SiO2, MgO, FeO и Mg(OH)2) при высокой температуре (1450 °C) и очень высоком давлении (24 ГПа). Затем полученный кристалл был помещен в ячейку с алмазной наковальней, нагретой импульсным лазером. Использование короткоимпульсного суперконтинуумного зонда со сверхвысокой светимостью вместо обычного галогенного источника света позволило получить спектр поглощения очень высокого качества даже при очень высоких температурах и за чрезвычайно короткое время измерения (10 мс). Сокращение времени измерения позволило ограничить нежелательное химическое разделение, вызванное лазерным нагревом.
"Эта измерительная система позволила нам показать, что теплопроводность бриджманита примерно в 1,5 раза выше, чем ожидалось", — говорит Мураками в своем заявлении. Команда о радиационной теплопроводности около 5,3 ± 1,2 Вт/мК; это значение, добавленное к теплопроводности решетки (оцененной в 10 Вт/мК), приводит к общей теплопроводности бриджманита около 15,2 Вт/мК — значение, которое в 1,5 раза выше, чем предполагалось по результатам предыдущих исследований.
Более высокое значение теплопроводности в нижней мантии, чем ожидалось ранее, предполагает, что передача тепла от ядра к мантии также происходит быстрее, чем считали эксперты ранее. И в свою очередь, больший тепловой поток усиливает конвективные движения мантии, что ускоряет охлаждение планеты. Последствия? Тектоника плит, которая поддерживается конвективными движениями в мантии, может сокращаться быстрее. "Наши результаты говорят о том, что Земля, как и другие каменистые планеты Меркурий и Марс, остывает и становится неактивной гораздо быстрее, чем ожидалось", — объясняет Мураками.
Исследование также показало, что быстрое охлаждение мантии приводит к изменению минералов, составляющих границу между ядром и мантией. Оказывается, это явление служит своего рода катализатором охлаждения: при охлаждении бриджманит превращается в минерал постперовскит. Этот минерал проводит тепло даже лучше, чем бриджманит. Таким образом, если в нижней мантии начинает преобладать постперовскит, охлаждение нижней мантии еще больше ускоряется.
Когда конвективные движения мантии прекратятся окончательно, Земля станет "мертвой" планетой. Когда это произойдет? На данный момент это невозможно предсказать, говорит Мураками. "Мы еще недостаточно знаем о таких событиях, чтобы определить их точное время. Кроме того, в игру вступают и другие факторы, такие как распад радиоактивных элементов в недрах Земли, который также выделяет много тепла и влияет на динамику мантии. Но одно можно сказать наверняка: нас не будет рядом, чтобы увидеть, как это произойдет".