Ядерные испытания помогли обнаружить неоднородности во внешнем ядре Земли
Подземные ядерные испытания, проведённые несколько десятилетий назад, неожиданно помогли получить новые данные о строении Земли. Анализ сейсмических волн, возникших после взрывов, показал, что жидкое внешнее ядро планеты может быть значительно более неоднородным и динамичным, чем предполагалось ранее.
Геофизик Ин Чжоу из Технологического института Виргинии изучила сейсмические сигналы от подземных ядерных испытаний, проведённых Францией на атолле Муруроа во Французской Полинезии с 1977 по 1995 год.
Волны от взрывов проходили через глубокие слои Земли и регистрировались сейсмической станцией в Казахстане. Поскольку испытания проводились практически в одном и том же районе, исследователи получили возможность сравнить сигналы, прошедшие по очень похожим траекториям через недра планеты в разные годы.
Оказалось, что волны, проходившие через внешнее ядро, со временем меняли скорость.
По сравнению с 1977 годом сейсмические сигналы в 1982 и 1983 годах достигали станции примерно на 0,1 секунды раньше. В период с 1988 по 1990 год разница также составляла около 0,15 секунды. Однако к 1995 году волны, напротив, стали приходить примерно на 0,15–0,2 секунды позже.
Для сигналов, проходящих тысячи километров через внутренние области планеты, такие изменения считаются значимыми. Они указывают на то, что свойства вещества на пути сейсмических волн менялись в течение относительно короткого по геологическим меркам времени.
В ходе работы был также выделен ранее не описанный тип сейсмической волны, получивший обозначение PKrKP. В отличие от более известных волн, взаимодействующих с внутренним ядром Земли, этот сигнал отражается внутри внешнего ядра.
Это позволило выделить участок траектории, изменения которого связаны именно с жидким металлическим слоем, окружающим твёрдое внутреннее ядро.
Для проверки результатов исследовательница сравнила эти сигналы с волнами типа PP, которые проходят преимущественно через мантию и не пересекают внешнее ядро. Всего были проанализированы 112 пар ядерных испытаний, причём взрывы в каждой паре происходили на расстоянии менее 0,05 градуса друг от друга.
Результаты показали, что причиной изменения времени прохождения волн может быть крупная неоднородная область во внешнем ядре. Согласно расчётам, её размеры могут превышать 700 километров в поперечнике при толщине около 100 километров.
Одно из возможных объяснений заключается в том, что внутри жидкого внешнего ядра перемещаются крупные области вещества с иными физическими свойствами. В таком случае внешнее ядро представляет собой не однородный слой расплавленного металла, а сложную динамическую систему с крупномасштабными неоднородностями.
Особенно важно, что изменения были обнаружены в течение нескольких десятилетий. Ранее подобные исследования часто основывались на сравнении землетрясений, произошедших с разницей в десятки лет, что усложняло анализ: эпицентры и характеристики землетрясений могут существенно различаться.
Ядерные испытания, несмотря на их разрушительные последствия для окружающей среды, в данном случае стали своеобразными контролируемыми источниками сейсмических волн. Это позволило сравнивать состояние глубоких слоёв Земли в разные моменты времени с гораздо большей точностью.
Новые данные могут помочь лучше понять процессы перемешивания вещества во внешнем ядре. Именно движения электропроводящей жидкости в этом слое участвуют в работе геодинамо — механизма, создающего магнитное поле Земли.
Изменения во внешнем ядре также могут быть связаны с процессами, происходящими на границе с внутренним ядром. Поэтому дальнейшие исследования подобных сейсмических сигналов способны дать более полное представление о том, как устроена и изменяется самая глубокая часть нашей планеты.
Исследование в Journal of Geophysical Research.