Открытие: внутреннее ядро Земли колеблется в шестилетнем цикле

В центре нашей планеты находится внутреннее ядро - твердая сфера радиусом около 1200 километров, состоящая в основном из железа и никеля. В настоящее время принято считать, что это внутреннее ядро движется и/или изменяется с течением десятилетий, но характеристики этого движения/изменения открыты для дискуссий. В новом исследовании ученые из Университета Южной Калифорнии показали, что ядро не совершает непрерывного регулярного движения, а колеблется в шестилетнем цикле.

Увеличение внутреннего ядра обеспечивает энергией геодинамо, которое генерирует магнитное поле Земли. Поэтому важно понять его структуру, движение и эволюцию. Из-за своей чрезвычайной глубины внутреннее ядро остается загадочным местом. Только сейсмические волны могут выявить некоторые ключевые особенности. Например, установлено, что они распространяются быстрее вдоль оси север-юг, чем параллельно экватору. Считается, что это явление, называемое сейсмической анизотропией, возникает из-за кристаллической анизотропии железа.

Для его динамики было предложено несколько значений. Основываясь на анизотропии сейсмических волн, некоторые ученые в 1996 году предположили, что внутреннее ядро вращается быстрее, чем мантия и кора, совершая "сверхвращение" (порядка 1° в год). Несколько лет спустя другие исследователи подсчитали, что это сверхвращение на самом деле было бы чрезвычайно медленным - от 0,1 до 1° в миллион лет! В 2019 году Джон Видейл с факультета наук о Земле Университета Южной Калифорнии, в свою очередь, заявил, что скорость вращения ядра составляет 0,07° в год. Теперь он и его коллега Вэй Ванг показали, что внутреннее ядро на самом деле колеблется.

Это исследование полностью бросает вызов предыдущим теориям, предполагающим, что внутреннее ядро ​​вращается с большей скоростью, чем поверхность планеты. Используя сейсмические данные, Видейл и Ванг показывают, что внутреннее ядро ​​изменило направление между 1969 и 1974 годами: "Мы обнаружили, что внутреннее ядро ​​повернулось как минимум на 0,1° между 1969 и 1971 годами, а затем произошло сверхвращение в противоположном направлении примерно на 0,29° между 1971 и 1974 годами", — уточняют они в Science Advances.

Эта колебательная модель может объяснить, в частности, вариации длины дня, которая также периодически увеличивалась, а затем уменьшалась в течение многих лет. "Совпадение этих двух наблюдений делает осцилляцию наиболее вероятной интерпретацией", - говорится в заявлении Видейла.

В 2019 году Видейл и его команда изучили обратные рассеянные волны изнутри внутреннего ядра - которые позволяют более точно оценить вращение - от двух подземных ядерных испытаний, проведенных с разницей в три года (в 1971 и 1974 годах) на арктическом архипелаге Новая Земля, Россия. Волны были зарегистрированы сейсмографическим массивом с большой апертурой (LASA).

Затем они обнаружили, что внутреннее ядро вращается медленнее, чем ожидалось, совершая сверхвращение около 0,07° ± 0,02° в год - ровно 0,29° за три года, сообщают исследователи. Измерив скорость вращения с беспрецедентным разрешением, Видейл и Ванг решили применить свой метод к другой паре ядерных испытаний, которые были проведены в 1969 и 1971 годах под островом Амчитка на оконечности Аляскинского архипелага. Неожиданно исследователи обнаружили, что в это время внутреннее ядро вращалось в противоположном направлении, недоворачиваясь в среднем на 0,05° в год.

Первое свидетельство колебательного движения семени

Это первый случай, когда исследование продемонстрировало колебательный характер движения внутреннего ядра с помощью прямых сейсмологических наблюдений. "Идея о том, что внутреннее ядро колеблется, была уже существующей моделью, но в сообществе были разногласия по поводу ее жизнеспособности. [...] Мы были весьма удивлены, обнаружив, что она движется в другом направлении", — объясняет Видейл.

Эта осцилляторная модель согласуется с несколькими наблюдениями. Во-первых, она подтверждает гипотезу о том, что внутреннее ядро колеблется в ответ на колебания длины светового дня - плюс-минус 0,2 секунды за шесть лет - и магнитного поля Земли, которое также претерпевает хорошо известные, но плохо изученные периодические колебания и развороты. Это исследование также отвечает на многие вопросы, поставленные научным сообществом о том, как сформировалось внутреннее ядро и как оно эволюционирует с течением времени.

Однако для подтверждения этой модели необходимы дополнительные исследования. "Наши данные не исключают других невращающихся процессов", — подчеркнули Видейл и Ванг. Оба отметили, что будущая работа будет зависеть от поиска достаточно точных наблюдений для сравнения с их результатами. Эти два исследователя опирались на ядерные испытания, где были известны точное место и время, что облегчило их задачу. Ядерные испытания запрещены с 1996 года, когда был подписан Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Кроме того, в 1978 году был закрыт сейсмический массив с большой апертурой. Поэтому будущие исследования будут основываться на относительно неточных сейсмических данных.