Внутреннее охлаждение Земли «намного быстрее, чем ожидалось»

Исследователи из ETH Zurich показали в лаборатории, насколько хорошо обычный металл на границе между ядром Земли и мантией проводит тепло. Это заставляет их подозревать, что тепло Земли может рассеиваться раньше, чем считалось ранее.

Эволюция нашей планеты — это история прохлады: 4,5 миллиарда лет назад на поверхности молодой Земли царили экстремальные температуры, и она была покрыта глубоким океаном магмы. За миллионы лет поверхность планеты остыла, образовав хрупкую кору. Однако огромная тепловая энергия, исходящая из недр Земли, приводит в движение динамические процессы, такие как мантийная конвекция, тектоника плит и вулканизм.

Однако вопросы о том, как быстро Земля будет остывать и сколько времени может понадобиться для того, чтобы это непрерывное охлаждение остановило указанные выше тепловые процессы, остаются без ответа.

Один из возможных ответов может заключаться в теплопроводности минералов, образующих границу между ядром Земли и мантией.

Этот пограничный слой актуален, потому что именно здесь липкие породы мантии Земли находятся в прямом контакте с горячим расплавом железа и никеля во внешнем ядре планеты. Градиент температуры между двумя слоями довольно крутой, поэтому здесь, вероятно, будет много тепла. Пограничный слой в основном состоит из минерала бриджманита. Однако исследователям трудно оценить, сколько тепла этот минерал передает из ядра Земли в мантию, потому что экспериментальная проверка очень сложна.

Теперь профессор ETH Мотохико Мураками и его коллеги из Научного института Карнеги разработали сложную измерительную систему, которая позволяет им измерять теплопроводность бриджманита в лаборатории в условиях давления и температуры, преобладающих внутри Земли. Для измерений они использовали недавно разработанную систему измерения оптической плотности в алмазном блоке с импульсным лазерным нагревом.

Измерительный прибор для определения теплопроводности бриджманита при высоком давлении и максимальной температуре. Предоставлено: Мураками М. и др., 2021 г.

«Эта измерительная система позволяет нам показать, что теплопроводность бриджманита примерно в 1,5 раза выше, чем предполагалось», — говорит Мураками. Это указывает на то, что поток тепла от ядра к мантии также выше, чем считалось ранее. Больший поток тепла, в свою очередь, увеличивает конвекцию в мантии и ускоряет охлаждение Земли. Это может привести к тому, что движение тектоники плит, которое поддерживается конвективными движениями в мантии, замедлится быстрее, чем ожидали исследователи, основываясь на предыдущих значениях теплопроводности.

Мураками и его коллеги также показали, что быстрое охлаждение мантии изменит стабильные минеральные фазы на границе ядра и мантии. При охлаждении бриджманит превращается в минерал постперовскит. Но как только постперовскит появляется на границе ядра и мантии и начинает доминировать, охлаждение мантии может фактически ускориться, считают исследователи, потому что этот минерал проводит тепло более эффективно, чем бриджманит.

«Наши результаты могут дать нам новый взгляд на эволюцию динамики Земли. Они предполагают, что Земля, как и другие твердые планеты Меркурий и МарсОн остывает и становится инертным намного быстрее, чем ожидалось», — объясняет Мураками.

Однако он не может сказать, сколько времени потребуется, например, для прекращения конвективных течений в мантии. «Мы до сих пор недостаточно знаем об этих типах событий, чтобы определить их время». Для этого сначала требуется лучшее понимание того, как работает конвекция в мантии пространства и времени. Более того, ученым необходимо выяснить, как распад радиоактивных элементов в недрах Земли — одного из основных источников тепла — влияет на динамику мантии.

Ссылка: «Радиационная теплопроводность монокристаллического бриджманита на границе ядра и мантии с последствиями для тепловой эволюции Земли», авторы Мотохико Мураками, Александр Ф. Гончаров, Нобуёси Миядзима, Дайсуке Ямазаки и Николас Холтгроув, 8 декабря 2021 г., Письма по науке о Земле и планетах.
DOI: 10.1016 / j.epsl.2021.117329